DE3320173A1

DE3320173A1 - Verfahren und vorrichtung zur elektrischen werkstueck-bearbeitung

Info

Publication number: DE3320173A1
Application number: DE19833320173
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokyo Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1982-06-03
Filing date: 1983-06-03
Publication date: 1983-12-08
Also published as: US4577082A; FR2527961A1; IT8348417A0; JPS58211823A; GB8315220D0; GB2123332A; GB2123332B; IT1170385B

Description

Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Werkstück-Bearbeitung

Die Erfindung betrifft die elektrische Bearbeitung, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung mit Maßnahmen zum wirksamen Schutz vor Verunreinigungen und ggf. auch zum Schutz vor Bränden.

Beim elektrischen Bearbeiten ist es bereits seit langem bekannt, daß toxische oder schädliche Abgase aus einem Arbeitsspalt erzeugt werden, durch den ein elektrischer Strom zwischen einer Werkzeug-Elektrode und einem Werkstück geleitet wird, um erosiv den Werkstoff vom Werkstück abzutragen. Der Arbeitsspalt wird mit einem besonderen flüssigen Arbeitsmedium geflutet, das in diese Abgase bei Durchtritt des elektrischen Arbeits-Stroms zerlegt wird. Z.B. bei der EDM-Bearbeitung (elektroerosiven Bearbeitung) kann das flüssige Arbeitsmedium vorzugsweise Kerosin, Transformator-Öl oder ein ähnlicher Kohlenwasserstoff sein, der bei seiner Zersetzung u.a. gasförmige Komponenten (z.B. Propan, Hexan, Benzol usw.) erzeugt, die giftig und auch entflammbar sind. Obwohl ein EDM-Arbeitsmedium, das vor allem aus Wasser besteht, und damit unschädlich und nicht entflammbar ist, benutzt werden kann, ist es wünschenswert, daß das

'35 Wasser für einen erhöhten Bearbeitungs-Wirkungsgrad gewisse Anteile von einem oder mehreren dieser Kohlenwasserstoffe

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oder Siliconöl besitzt, die bei Zerlegung gasförmige Komponenten wie Kohlenmonoxid abgeben, die ebenfalls lebensgefährlich und umweltbelastend sind. Bei der elektrochemischen Bearbeitung (ECM), bei der elektrochemischen/elektroerosiven Bearbeitung (EC/EDM), beim elektrochemischen Schleifen (ECG) und beim elektrochemischen/elektroerosiven Schleifen (ECDG) sind bekanntlich Nitrid-, Nitrat- und Carbonat-Salze Haupt- oder Zusatz-Elektrolyt-Verbindungen, die hervorragende Bearbeitungsergebnisse sichern, jedoch bei elektrolytischer oder elektroerosiver Zerlegung zu Stickoxiden (NO ) und Kohlenmonoxid führen, die ebenfalls giftig sind.

Bei den herkömmlichen elektrischen Bearbeitungsvorrichtungen werden diese giftigen oder schädlichen Abgase einfach an die Atmosphäre abgeleitet, so daß diese im Bereich der Vorrichtung verunreinigt wird, oder sehr kostenaufwendig behandelt, was trotzdem nur zu einer begrenzten Entgiftung oder Schadstoffbeseitigung führt. 20

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten elektrischen Bearbeitungsverfahrens, bei dem giftige oder schädliche Abgase, die sich aus dem elektrischen Arbeitsspalt entwickeln, im wesentlichen in ihre elementaren Bestandteile zerlegt werden, die unschädlich oder ungefährlich sind, und einer verbesserten elektrischen Bearbeitungsvorrichtung mit einer relativ einfachen, wirtschaftlichen Einrichtung, durch die diese gefährlichen Abgase wirksam in ihre elementaren Bestandteile zerlegbar sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt wahlweise durch die Lehre nach dem Kennzeichen der Ansprüche 1 und 4.
35

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Ihre einzige Figur zeigt schematised teilweise im Schnitt, ein Äusführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Bearbeitungsvorrichtimg„ 5

Die gezeigte elektrische Bearbeitungsvorrichtung 1 besitzt einen Arbeitsbehälter 2, der ein flüssiges Arbeitsmedium 3 enthält, in dem ein Werkstück 4 lagegesichert eingetaucht ist. Eine Werkzeug-Elektrode 5 ist im flüssigen Arbeitsmedium 3 beabstandet zum Werkstück 4 angeordnet und von einer Werkzeug-Spindel 6 getragen, die vertikal durch einen Werkzeug-Antrieb 7 verschiebbar ist, um die Werkzeug-Elektrode 5 in das Werkstück 2 vorzuschieben, wenn von diesem der Werkstoffabtrag fortschreitet ο Der Arbeitsbehälter 4 ist an einem Werkstücktisch 8 gesichert, der horizontal durch zwei Motoren 9 und 10 auf einem Maschinenbett 11 beweglich ist, um die Bearbeitungsstellung des Werkstücks 4 einzustellen. Das flüssige Arbeitsmer diurn 3 wird im Arbeitsbehälter 2 aus einem Vorratsbehälter 12 mittels einer Pumpe 13 erneuert. Ein elektrischer Arbeitsstrom wird von einer Stromversorgung 14 zwischen der Werkzeug-Elektrode 5 und dem Werkstück 4 geleitet, um erosiv Werkstoff vom Werkstück 4 abzutragen und gleichzeitig das flüssige Arbeitsmedium 3, das den Arbeitsspalt flutet, in Abgase zu zerlegen, die toxische oder schädliche gasförmige Komponenten einschließen«

Die vom Arbeitsspalt abgegebenen Abgase G werden in einer Kammer oder einem Raum 15 unmittelbar oberhalb des Spiegels des flüssigen Arbeitsmediums 3 gesammelt und durch einen Deckel 16 an einem unmittelbaren Austritt an die Atmosphäre gehindert» Eine balgartige Manschette 17 ist an ihrem einen Ende am Deckel 16 befestigt und an ihrem anderen Ende am Vorrichtungs-Kopf 7 gesichert, der die Spindel 6 umgibt, die eine öffnung 16a im Deckel 16 durchsetzt, so daß die Spindel 6 vertikal frei verschiebbar ist

bei gleichzeitiger Gasabdichtung der Kammer 15.

Der Deckel 16 ist an einem Ende an einer Auspuffleitung 18 befestigt, die Doppel-ü-Form besitzt und einen gestreckten Strömungskanal 19 für die in der Kammer 15 gesammelten Abgase G bildet, um sie abzuleiten. Das andere Ende der Auspuffleitung 18 ist mit der Atmosphäre über ein Filter 20 verbunden.

Ein Laser-Generator 21 ist an einer Schulter der Auspuffleitung 18 gesichert, um einen Laser-Strahl 22 zu erzeugen, der durch einen Spiegel 23 in Form eines Prismas zur Projektion in den Strömungskanal 19 über einen lichtdurchlässigen Wandabschnitt der Auspuffleitung 18 reflektiert wird. Weitere Spiegel oder Prismen 24 und 25 sind am Strömungskanal 19 an Ecken der Auspuffleitung 18 angeordnet, um den Laser-Strahl 22 entlang des Strömungskanals 19 so zu reflektieren, daß die durch diesen abgezogenen Abgase G intensiv der Strahlung des Laser-Strahls 22 ausgesetzt werden können. Ferner besitzen die Spiegel 23 und 25 an ihnen befestigte elektromechanische Schwinger 26 und 27, damit seitlich die optische Achse des Laser-Strahls 22 pendelt, so daß die Wirksamkeit der Laser-Durchstrahlung der Abgase G bei deren Durchströmen des Strömungskanals 19 erhöht wird.

Beim Betrieb der gezeigten Vorrichtung werden die Bearbeitungs-Abfälle vom Arbeitsspalt mit dem flutenden flüssigen Arbeitsmedium weggespült. Feststoffkomponenten dieser Bearbeitungs-Abfälle können sich aufgrund ihres Eigengewichts niederschlagen, um nach Filterung in den Vorratsbehälter 12 rückgeleitet zu werden, während Gase, Dämpfe und Nebel auf dem Spiegel des flüssigen Arbeitsmediums 3 schweben und in der Kammer 15 gesammelt werden. Die Art •35 der Abgase G hängt von der jeweiligen Art des benutzten flüssigen Arbeitsmediums 3 ab, wobei grundsätzlich zu die-

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sen Gasen H₀, C-H₄₁., C-H₀, C_rH._o<, C_nH₁., CH-QH, CQ, C0_o

gehören, die meistens entweder toxisch oder schädlich sind. Ferner sind die gasförmigen Kohlenwasserstoffe leicht entflammbar und explosionsfähig bei Kontakt mit Funkenentladungen im Arbeitsspalt.

Die Abgase G mit diesen Komponenten werden bei Abzug über den Strömungskanal 19 dein Laser-Strahl 22 ausgesetzt und dadurch in ihre elementaren Bestandteile zerlegte d.h. Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff land Stickstoff. Das Filter 20 dient zum Sammeln und Absorbieren von Kohlenstoff als auch von restlichen Hebeln und gewissen anderen zurückbleibenden nicht-gasförmigen Komponenten. Daher kann ein gereinigtes Fluid aus dem Auspuffleitungs-System 18, 19 und 20 austreten.

BEISPIEL I

Unter Benutzung von Transformatoröl als flüssigem Arbeitsmedium wurde ein Stahl-Werkstück 4 elektroerosiv (EDM) mit einer Messing - Elektrode 5 bearbeitet. Die in der Kammer 15 gesammelten Abgase G enthielten in Gew.-% 0,02 % Kohlenmonoxid, 20 % Wasserstoff, 30 % Propan (C,H₀), 13 % Cyclohexan, 22 % Hexan (CgH.-) und 14,98 % Restbestandteile einschließlich Benzol iC,H ). Die Abgase G wurden durch den Strömungskanal 19 abgezogen und dort mit einem YAG (Gas)-Laser-Strahl von 100 W bestrahlt. Danach wurde festgestellt, daß 78 % der Abgas-Verbindungen (verschieden von Wasserstoff) in Wasserstoff und Kohlenstoff zerlegt worden waren. Wenn mit mechanischen Schwingungen der Frequenz 38 kHz die Spiegel 23 und 25 von den Schwingern und 2 7 beaufschlagt worden xvaren, erhöhte sich die Zersetzungs-Rate auf 98 %.

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BEISPIEL II

Unter Benutzung von Leitungswasser, das entionisiert wor-

4 den war, um einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm-cm zu ergeben, und das 1 Gew.~% Siliconöl enthielt, wurde ein Stahl-Werkstück 4 elektrisch mit einer Graphit-Elektrode 5 bearbeitet. Die in der Kammer 15 gesammelten Abgase G enthielten in Gew.-% 95 % Wasserdampf, 0,8 % Kohlendioxid, 3 % Wasserstoff, 0,01 % Kohlenmonoxid und 0,119 % Restbestandteile. Die Abgase G wurden wie im BEISPIEL II mit einem ähnlichen Laser-Strahl behandelt. Es wurde festgestellt, daß das behandelte Abgas nur eine Spur Kohlenmonoxid enthielt.

Durch die Erfindung werden also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Bearbeitung angegeben, die sehr fortschrittlich sind dank der Maßnahmen für einen wirksamen Schutz vor Verunreinigungen und für einen ausfallsicheren Vorrichtungs-Betrieb.

Claims

PATENTANWALT* & RECHTSANWALT

Dipl.-PHYS. dr. jus. U» MEIDEICH

"ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEY

Franziskanerstr. 30

D-8000 MÜNCHEN 80

Tel (089)448 50 40 Telex 5 2l3?I0eptod

3. Juni 1983

IJR - DE

Laser Zers

ANSPRÜCHE
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/1. Verfahren zum elektrischen Bearbeiten eines Werkstücks (4)

- durch Leiten elektrischen Arbeits-Stroms durch einen Arbeitsspalt,

- geflutet mit flüssigem Arbeitsmedium (3),

- zwischen einer Werkzeug-Elektrode (5) und dem Werkstück,

- wobei das zugeführte flüssige Arbeitsmedium (3) zersetzt wird, und

- durch erosives Abtragen von Werkstoff vom Werkstück (4), - wobei toxische oder schädliche Abgase (G) vom Arbeitsspalt abgegeben werden,

gekennzeichnetdurch

- Sammeln der Abgase (Gl in einem Raum (15) unmittelbar oberhalb des flutenden flüssigen Ärbeitsmediums (3) , - Einschließen der gesammelten Abgase (G), um ihren unmittelbaren Austritt an die Atmosphäre zu verhindern, und

- Ableiten der gesammelten Abgase (G) durch einen von der Atmosphäre getrennten Strömungskanal (19) bei deren gleichzeitigem Bestrahlen mit einem Laser-Strahl (22) ,

- um mindestens einen größeren Anteil der toxischen oder schädlichen Abgase (G) in ihre elementaren Bestandteile zu zerlegen.

2- Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- seitliches Pendeln des Laser-Strahls (22)

- zum wirksameren Durchstrahlen der Abgase (G).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

- Abführen der bestrahlten Abgase (G) an die Atmosphäre Q - nach Abfiltern (20) von deren nicht-gasförmigen Komponenten

O 4 **ft QO IT % β« to fr O

4. Vorrichtung zum elektrischen Bearbeiten eines Werkstücks (4)

- durch Leiten elektrischen Ärfoeits-Stroms durch einen Arbeitsspalt,

- geflutet mit flüssigem Arbeitsmedium (31,

- zwischen einer Werkzeug-Elektrode (5) und dem Werkstück ,

- wobei das zugeführte flüssige Arbeitsmedium (3) zersetzt wird, und

- durch erosives Abtragen von Werkstoff vom Werkstück (4) ,

- wobei toxische oder schädliche Abgase (G) vom Arbeitsspalt abgegeben werden,

gekennzeichnet durch - eine Einrichtung (16) zum

- Sammeln der Abgase (G) in einem Raum (15) unmittelbar oberhalb des flutenden flüssigen Arbeitsmediums (3) und

- Einschließen der gesammelten Abgase (G), um ihren

unmittelbaren Austritt an die Atmosphäre zu verhindern,

- eine Fluid-Leitungs-Einheit (18)

- zum Anschluß des Raums (15) an die Atmosphäre über einen zu ihr gehörenden gestreckten Strömungskanal (19) und

- zum Abziehen der Abgase (G) über den Strömungskanal (19) und

- eine Laser-Einrichtung (21)

- zum Bestrahlen der den Strömungskanal (19) durchströmenden Abgase (G) mit einem Laser-Strahl (22),

- um mindestens einen größeren Anteil der toxischen oder schädlichen Abgase (G) in ihre elementaren Bestandteile zu zerlegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch - eine Pendel-Einrichtung (23, 25 - 27)

- zum seitlichen Pendeln' der optischen Achse des Laser-Strahls (22).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, - daß die Fluid-Leitungs-Einheit (18) besitzt:

- eine Doppel-U-Form und

- an mehreren Ecken entsprechend viele Spiegel (23 - 25)

- zur Reflexion des Laser-Strahls (22) für einen Durchlauf durch den Strömungskanal (19).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Pendel-Einrichtung

- eine Schwing-Einheit (26, 27) besitzt,

- die einzeln an mindestens einigen der Spiegel (23, 25) zu deren Beaufschlagen mit mechanischen Schwingungen befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch

- eine Filter-Einheit (20)

- am Auslaß der Fluid-Leitungs-Einheit (18) zum Abfiltern der nicht-gasförmigen Komponenten der laserbestrahlten Abgase (G).