DE3340388C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, wie sie aus der US-PS 43 01 349 bekannt ist.

Bei einer typischen Funkenerosionsmaschine mit bewegter Drahtelektrode wird eine Drahtelektrode, die ein Werkstück quert und sich in Axialrichtung durch dieses zwischen zwei Drahtführungselementen bewegt, quer zum Werkstück entlang einer vorbestimmten Schneidbahn nachgeführt, so daß hinter der nachgeführten Drahtelektrode ein Schlitz mit zwei Sei­ tenflächen verbleibt, die im wesentlichen symmetrisch um die Bahn der Elektrodenachse sind und von denen typischer­ weise nur eine als die dem Werkstück zu gebende Schneid­ kontur von Bedeutung ist. Die Breite des eingeschnittenen Schlitzes entspricht im wesentlichen dem Durchmesser der Drahtelektrode und dient während des funkenerosiven Schneidvorgangs im allgemeinen zur Aufnahme der Arbeits­ flüssigkeit, die nicht nur als Entladungsmedium, sondern auch zum Ausgleich der Drahtelektrode gegen einen im Arbeitsspalt erzeugten Bearbeitungsdruck dient. Der Durch­ messer der Drahtelektrode darf höchstens 0,5 mm (und nicht weniger als 0,5 mm) betragen, um eine erwünschte Schneidge­ nauigkeit zu gewährleisten.

Es ergeben sich aber Situationen, in denen eine Material­ schicht mit einer Dicke von nur 10-100 µm, also weniger als der Elektrodendurchmesser, mit hoher Genauigkeit und Ober­ flächengüte von einem Werkstück abzutragen ist. Solche Anforderungen werden insbesondere dann gestellt, wenn in einer Sekundärschneideinrichtung eine vorgeformte Kontur feinzubearbeiten ist. In solchen Fällen wird offensichtlich kein zweiseitiger flankierender Schlitz gebildet, sondern es ergibt sich wie nach der US-PS 43 01 349 ein einseitig flankierender Zustand, wobei eine Seite der nachgeführten Drahtelektrode ständig zur offenen Seite hin exponiert ist. Es wurde gefunden, daß diese einseitig flankierende Betriebsart sowohl Vor- als auch Nachteile bietet. Ein Vorteil ist z. B., daß der durch die Bearbeitung anfallende Abtrag sich in der Schneidzone praktisch nicht ansammeln kann, so daß das funkenerosive Schneiden schneller vonstatten geht. Ein erheblicher Nach­ teil ist jedoch die mangelnde Stabilität der Elektrodenposi­ tion. Der Bearbeitungsdruck, der sich infolge von Funkenent­ ladungen und Spülfluid im Arbeitsspalt ausbildet, tendiert dazu, die Drahtelektrode aus einem momentanen Bereich der zu schneideden Kontur wegzudrücken, und zwar schräg hinter die Elektrodennachführbahn, und aufgrund der Schwankungen dieses Bearbeitungsdrucks besteht die Gefahr, daß die bewegte Drahtelektrode in einer zu diesem Konturbereich quer verlau­ fenden Ebene wellenartig bewegt wird, wodurch sich eine Schwankung der Drahtachse ungeachtet des Einsatzes der Drahtführungselemente über den Schneidbereich einstellt. Eine solche Schwankung hat zwar im wesentlichen eine ge­ ringe Amplitude, sie kann jedoch nicht vernachlässigt werden, wenn die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit bzw. -güte eine Rauhigkeit R _max von höchstens 0,5 µm ver­ langt.

Andererseits ist aus der US-PS 41 21 080 eine Werkzeugma­ schine zum funkenerosiven Ausschneiden mittels einer Drahtelektrode bekannt, bei der zusätzliche Abstützflächen für die Drahtelektrode stromauf und stromab von deren Ar­ beitsbereich nahe den Führungselementen angebracht sind.

Aus der DE-OS 31 02 943 ist eine Drahtschneid-Elektroero­ sionsmaschine bekannt, in deren Drahtführungselemente V- förmige Drahtaufnahmekerben ausgebildet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugma­ schine der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, bei der ein wellenartiges Wegdrücken der Drahtelektrode aus dem Bereich der zu schneidenden Oberflächenkontur weitest­ gehend vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Da das Problem des Funkenerosionsverfahrens mit bewegter Drahtelektrode bei einseitig flankierender Betriebsart somit wirksam überwunden wird, kann diese Betriebsart in positiver Weise dazu genutzt werden, den Wirkungsgrad einer bestimmten Schneidposition zu verbessern. Zum Beispiel kann durch Wiederholung dieser einseitig flankierenden Be­ triebsart eine Materiallage erheblicher Dicke, die wesent­ lich größer als der Drahtelektrodendurchmesser ist, abge­ tragen werden, ohne daß ein Verfahren mit Ausbildung eines zweiseitig begrenzten Schlitzes bzw. Arbeitsspalts ange­ wandt wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine geschnittene Draufsicht auf die Werkzeugmaschine nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht, die eine Drahtelektrode während des tangentialen Schneidens einer Werkstücks­ kontur zeigt; und

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung III-III von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Funkenerosionsmaschine mit bewegter Drahtelektrode, mit der ein Werkstück 1 im wesentlichen tangential längs einer Kontur 1 A, die eine vorgeformte oder vorgeschnittene und nunmehr feinzubearbeitende Kontur sein kann, mittels einer kontinuierlichen Drahtelektrode 2 geschnitten wird. Das Werkstück 1 ist auf einem Kreuzsup­ porttisch (nicht gezeigt) mit konventionellem Planvorschub fest angeordnet und damit in einer horizontalen oder X-Y- Ebene bewegbar, die quer zu der Drahtelektrode 2 verläuft, die vertikal zwischen Leitrollen 3 und 3′ geführt ist. Bei der gezeigten Einrichtung wird die Drahtelektrode 2 über die Leitrolle 3 von einem Vorrat (nicht gezeigt) abgegeben, in Axialrichtung von oben nach unten transportiert und über die untere Leitrolle 3′ auf eine Aufwickelvorrichtung (nicht gezeigt) geführt. Mittels eines Zugantriebs bzw. eines Bremsantriebs (beide nicht gezeigt), die aufwickelseitig bzw. abwickelseitig vorgesehen sind, kann die Drahtelektrode 2 kontinuierlich mit einer geeigneten axialen Bewegungsge­ schwindigkeit unter geeigneter mechanischer Spannung in einer Schneidzone (Arbeitsbereich) 4 neben dem Werkstück 1 (Kontur 1 A) bewegt werden.

An der Schneidzone 4 müssen zwei Drahtführungselemente 5, 5′ vorgesehen sein, die zwischen sich eine geradlinige Bahn L für die Drahtelektrode 2 herstellen, so daß die Drahtelek­ trode in genauer Ausrichtung mit dieser Bahn in funkenero­ sive Beziehung zu dem Werkstück 1 bewegt werden kann. Diese Drahtführungselemente sind üblicherweise an den konven­ tionellen Funkenerosionsmaschinen mit bewegter Drahtelektro­ de ortsunveränderlich angebracht. Bei der erläuterten Ausfüh­ rungsform sind diese Drahtführungselemente 5, 5′ an einer drehbaren Vorrichtung 6 angeordnet, wie noch erläutert wird. Die Drahtführungselemente 5, 5′ bestehen bevorzugt aus einem elektrisch nichtleitenden und reibungsbeständigen Werkstoff wie Rubin, Saphir, Diamant oder Keramik bzw. sind mit einem solchen Werkstoff umkleidet, da sie mit der Drahtelektrode 2 in Druckkontakt gelangen.

Eine Arbeitsflüssigkeit, z. B. entionisiertes Wasser, mit dem die Schneidzone 4 ausgespült wird, wird typischer­ weise aus einer oder mehreren Düsen zugeführt. Zwei solche Düsen 7 und 7′ sind oberhalb und unterhalb der Schneidzone 4 angeordnet und richten Arbeitsflüssigkeitsströme koaxial mit der bewegten Drahtelektrode 2 in die Schneidzone 4. Im vorliegenden Fall können diese koaxialen Düsen 7, 7′ ebenfalls an der drehbaren Vorrichtung 6 angeordnet sein. Den Düsen 7, 7′ wird Arbeitsflüssigkeit von Einlaßlei­ tungen 8, 8′ zugeführt.

In Wirkkontakt mit der Drahtelektrode 2 angrenzend an die obere und die untere Leitrolle sind elektrisch leitende Rollen 9, 9′ angeordnet, die mit einer Klemme einer Funken­ erosions-Stromversorgung (nicht gezeigt) zur Speisung der Elektrode 2 verbunden sind. Das Werkstück 1 ist mit der anderen Klemme der Funkenerosions-Stromversorgung über einen Leiter (nicht gezeigt) verbunden. Die Stromversorgung legt eine Folge von Spannungsimpulsen zwischen Drahtelektrode 2 und Werkstück 1 zur Erzeugung aufeinanderfolgender elektri­ scher Entladungen an einem Arbeitsspalt G (Fig. 2), der zwischen beiden in der Schneidzone 4 gebildet und mit Arbeitsflüssigkeit gespült wird. Die elektrischen Entladungen werden konsekutiv erzeugt, so daß durch Funken­ erosion eine Materialabtragung vom Werkstück 1 erfolgt, während das Werkstück 1 quer zu der bewegten Drahtelektrode 2 zwischen den Drahtführungselementen 5 und 5′ - typischer­ weise unter Steuerung durch eine NC-Einheit - verschoben wird, so daß die Achse der Drahtelektrode 2 sich entlang einer vorgegebenen Bahn p im Werkstück 1 bewegt und eine dieser Bahn entsprechende erwünschte Endkontur erzeugt.

Fig. 2 zeigt die Drahtelektrode 2 während des Schlichtens einer vorgeschnittenen Kontur 1 A im Werkstück 1, wobei eine Kontur 1 A′ mit höherer Endgenauigkeit und Oberflächengüte erzeugt werden soll. Es ist ersichtlich, daß sich die axial (vertikal zur Zeichenebene) transportierte Drahtelektrode 2 horizontal mit ihrer Achse entlang einer Bahn p bewegt, während sie vom Werkstück 1 mit elektrischen Entladungen, die entlang dem Bereich S erzeugt werden, Material abträgt, so daß auf der einen Seite (links) der Bewegungsbahn p die fertige Kontur 1 A′ zurückbleibt. Bei einem solchen Schneid­ vorgang ist die andere (rechte) Seite der Drahtelektrode 2 immer offen, weil die Schnittiefe t üblicherweise weniger als (D + 2 g) und typischerweise weniger als D beträgt, wobei D der Durchmesser der Drahtelektrode 2 und g der Überschnitt oder die Größe des Arbeitsspalts G ist. Die am Arbeitsspalt erzeugten elektrischen Entladungen und die in den Arbeits­ spalt injizierte Arbeitsflüssigkeit über einen erhebli­ chen Druck aus, der dazu tendiert, die Drahtelektrode 2 von dem Bereich S in Richtung des Pfeils F wegzubewegen, und da dieser Druck (der nachstehend als Bearbeitungsdruck bezeich­ net wird) hinsichtlich seiner Größe schwankt, resultiert in einer quer zu der Bearbeitungsfläche S verlaufenden Ebene eine unregelmäßige Wellenbewegung der Drahtelektrode 2, und zwar eine Schwankung der Drahtachse 2 A ungeachtet des Einsatzes der Drahtführungselemente 5, 5′, die die Elektrode genau in Ausrichtung mit der vorgegebenen Bahn p halten sollen. Diese Schwankung hat zwar im wesentlichen kleine Amplitude, sie darf jedoch dann nicht vernachlässigt werden, wenn die verlangte Oberflächengüte nur eine Rauhig­ keit R _max von 0,5 µm haben darf. Dann ist es erforderlich, die Schwankungsamplitude auf weniger als 1 µm, bevorzugt weniger als 0,5 µm, zu verringern.

Gemäß den Fig. 1 und 3 weist die umlaufende Vorrichtung 6 eine Hilfsvorrichtung 10 auf, die die bewegte Drahtelektrode 2 in der Schneidzone 4 gegen Schwankungen der Axiallage haltert. Gemäß Fig. 3 weist die Hilfsvorrichtung 10 eine Drahtaufnahmenut 11 mit im wesentlichen V-Querschnitt auf, die zwei Drahtkontaktflächen (Stützflächen) 11 a und 11 b hat, die sich in der Schneidzone 4 parallel zu der geradlinigen Bahn L für die Drahtachse 2 A zwischen den Drahtführungselementen 5 und 5′ erstrecken und von der Bahn L einen Abstand aufwei­ sen, der gleich dem Radius D/2 der Drahtelektrode 2 ist. Es hat sich als wesentlich herausgestellt, daß diese Stützflächen 11 a, 11 b sich jeweils kontinuierlich über eine erhebliche Länge vertikal oder parallel zu der Bahn L erstrecken, wobei die Länge bevorzugt wenigstens 50mal größer als der Durch­ messer D der Drahtelektrode 2 ist. Bei der gezeigten Ausfüh­ rungsform ist die V-förmige Nut 11 in einem Gabelorgan 12 ausgebildet, das parallele Kanten 12 a, 12 b aufweist, die von einem Fußteil 13 der Hilfsvorrichtung 10 ausgehen. Die N-Nut 11 ist so bemessen, daß die Drahtelektrode 2 darin teilweise exponiert geführt wird, d. h. die wirksame Elektrodenfläche befindet sich der Werkstückfläche S direkt gegenüber und springt über die Kanten 12 a, 12 b vor, so daß die abtragende Wirkung nicht beeinträchtigt wird. Bei der Einrichtung nach Fig. 1 ist eine Folge solcher Gabelorgane 12 A . . ., die gleichbeabstandet sind, an dem Fußteil 13 der Hilfsvorrichtung 10 gehalten bzw. springt davon vor, und die Gabelorgane 12 A sind in Längsrichtung der bewegten Drahtelektrode 2 so angeordnet, daß sie über die zwischen der Ober- und der Unterseite 1 C, 1 D des bearbeiteten Werkstücks 1 definierte Schneidzone 4 verlaufen. Alternativ kann sich ein Einzelor­ gan 12 über die Schneidzone 4 oder einen Abschnitt derselben zwischen diesen Flächen oder über einen solchen, über die Ober- oder Unterseite 1 C, 1 D, hinausgehenden Abschnitt erstrecken. Das Gabelorgan 12 (12 A) oder wenigstens ein Teil desselben, der die Drahtkontaktflächen 11 a und 11 b bildet, besteht aus einem elektrisch nichtleitenden und reibungsbe­ ständigen Werkstoff wie Rubin, Saphir, Diamant oder Keramik.

Um ein gehaltertes Führen der Drahtelektrode 2 in Wirkkon­ takt mit den Drahtkontaktflächen 11 a und 11 b zu erleichtern, weist die Hilfsvorrichtung 10 eine Innenbohrung 14 auf, die eine Saugpumpe 15 mit der Drahtaufnahmenut 11 über eine Öffnung 16 im Gabelorgan 12 oder jedem Gabelorgan 12 A verbindet. Wenn ein Ventil 17 geöffnet ist und die Bohrung 14 mit der Saugvorrichtung 15 verbindet, wird in der Nut 11 ein Unter­ druck erzeugt, der die Drahtelektrode 2 in Druckkontakt an die Drahtkontaktflächen 11 a und 11 b drückt. Der Unterdruck ist so eingestellt, daß sich die Drahtelektrode 2 gleichmäßig in Wirkkontakt mit den Drahtkontaktflächen 11 a und 11 b bewegen kann.

Anstelle einer Saugvorrichtung kann die Quelle 15 auch durch eine unter Druck stehende Arbeitsflüssigkeitsquelle gebildet sein, die die Arbeitsflüssigkeit durch die Bohrung 14 und die Nut 11 in den Arbeitsspalt G liefert, so daß diese als Entladungsmedium dient. In diesem Fall wirkt die unter Druck in die Nut 11 injizierte Arbeitsflüssigkeit als Druck­ polster für die bewegte Drahtelektrode und gleicht den Bearbeitungsdruck aus.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist es erwünscht, die Hilfsvorrichtung 10 relativ zu der Bearbeitungsfläche S richtig zu orientieren, um sicherzustellen, daß die Draht­ kontaktflächen 11 a und 11 b so orientiert sind, daß sie den die bewegte Drahtelektrode 2 beaufschlagenden Bearbeitungs­ druck richtig ausgleichen. Ferner muß sichergestellt sein, daß eine Kollison der Hilfsvorrichtung 10 mit dem Werkstück 1 vermieden wird, da dies den Schneidvorgang behindern würde. Infolgedessen ist die Hilfsvorrichtung 10 hier drehbar an einem Rahmen der Maschine so angeordnet, daß die Rotations­ achse mit der geradlinigen Bahn L zwischen den Drahtführ­ rungselementen 5 und 5′ für die Drahtachse 2 A zusammenfällt.

Bei der gezeigten drehbaren Vorrichtung 6 ist also die Hilfsvorrichtung 10 sicher an einem bogenförmigen Arm 17 gehaltert, der einen oberen und einen unteren Armabschnitt 18, 18′ aufweist, an denen jeweils ein Zylinder 19 bzw. 19′ gesichert ist, die wiederum über Radiallager 21 bzw. 21′ in einem oberen bzw. einem unteren Arm 20, 20′ der Maschine drehbar gelagert sind. Die Arme 20, 20′ können horizontal verlaufende parallele Arme sein, die von einem Ständer (nicht gezeigt) ausgehen, der hochkant auf dem Maschinenbett (nicht gezeigt) steht. Der obere Zylinder 19, der obere Armabschnitt 18, der untere Armabschnitt 18′ und der untere Zylinder 19′ weisen koaxiale Bohrungen auf, die die Bahn der Drahtelektrode 2 zwischen der oberen und der unteren Leit­ rolle 3, 3′ aufnehmen und es der Elektrode ermöglichen, sich ungehindert durch diese Bohrungen in die obere Düsenkammer (und die Schneidzone 4) und aus der Schneidzone 4 und durch die untere Düsenkammer 7′ zu bewegen. Das obere und das untere Drahtführungselement 5, 5′ sind jeweils in den Bohrungen des oberen und des unteren Armabschnitts 18 bzw. 18′ sicher gehalten, während die obere und die untere Düsenkammer 7, 7′ sicher am Arm 17 gehalten sind. Der obere und der untere Zylinder 19, 19′, die so gelagert sind, daß sie um die mit der geradlinigen Bahn L präzise zusammenfal­ lende Rotationsachse drehbar sind, weisen daran jeweils angeordnete Schneckenräder 22, 22′ auf, die mit von Motoren 24 bzw. 24′ angetriebenen Schneckenwellen 23 bzw. 23′ in Eingriff stehen.

Die Motoren 24, 24′ werden synchron um einen gleichen Winkel angetrieben, so daß die Vorrichtung 6 um einen vorgegebenen Rotationswinkel gedreht wird. Einer Ansteuerschaltung 25 für die Motoren 24, 24′ wird ein Steuersignal 26 zugeführt, das z. B. von der numerischen Steuereinheit abgeleitet wird, so daß die Hilfsvorrichtung 10 so orientiert wird, daß sie nicht mit dem Werkstück 1 kollidiert, und die bewegte Drahtelek­ trode mittels der Drahtkontaktflächen 11 a und 11 b in der Schneidzone 4 genau in Ausrichtung mit der geradlinigen Bahn L, die zwischen den Drahtführungselementen 5 und 5′ gebildet ist, gegen den Bearbeitungsdruck gehalten wird, der dazu tendiert, die Elektrode aus der vorgegebenen Bahn p zu drücken. Die Drehbewegung der Hilfsvorrichtung 10 hat eine Rotation der Drahführungselemente 5, 5′ um die Rota­ tionsachse der Hilfsvorrichtung 10 zur Folge, die so einge­ stellt ist, daß sie mit der geradlinigen Bahn L zusammen­ fällt, so daß keine Abweichung der Lage der Drahtachse 2 A in der Schneidzone 4 von der vorgegebenen Schneidbahn p statt­ findet.

Claims (4)

1. Werkzeugmaschine zum funkenerosiven Abtragen an Werk­ stückoberflächen mit einer bewegten Drahtelektrode, mit

• - zwei Führungselementen (5, 5′), zwischen denen der Ar­ beitsbereich (4) der Drahtelektrode (2) liegt und zwi­ schen denen die Drahtelektrode (2) axial auf einer ge­ radlinigen Bahn (L) bewegt werden soll, und
• - Vorrichtungen für eine relative Verschiebung zwischen dem Werkstück und der Drahtelektrode entlang der Werk­ stückoberfläche, so daß von der Werkstückoberfläche eine Schicht mit einer Dicke, die höchstens gleich dem Durch­ messer der Drahtelektrode ist, abgetragen wird,

gekennzeichnet durch
eine drehbare Vorrichtung (6) mit einer daran angeordneten Hilfsvorrichtung (10), die zu der geradlinigen Bahn (L) parallale Stützflächen (11 a, 11 b) aufweist, die die Draht­ elektrode (2) im Arbeitsbereich (4) wenigstens teilweise abstützen,
wobei die Vorrichtung (6) derart um ihre mit der geradli­ nigen Bahn (L) zusammenfallende Rotationsachse gedreht wird, daß die Stützflächen (11 a, 11 b) der gerde geschnit­ tenen Werkstückoberfläche gegenüberliegen und so eine Kollision der Stützvorrichtung (10) mit dem Werkstück (1) vermieden wird.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen (11 a, 11 b) eine die Drahtelektrode (2) kontaktierende Länge von wenigstens dem 50fachen Durchmesser der Drahtelektrode (2) parallel zu der gerad­ linigen Bahn (L) aufweisen.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen (11 a, 11 b) eine langgestreckte, im Querschnitt im wesentlichen V-förmige Drahtaufnahmenut (11) bilden, und daß die Hilfsvorrichtung (10) eine Innen­ bohrung (14) aufweist, die sich zur Nut (11) hin öffnet, wobei ferner eine Saugvorrichtung (15) mit der Innenboh­ rung (14) verbunden ist, so daß an die Nut (11) ein Unter­ druck anlegbar ist, um die bewegte Drahtelektrode (2) in der Nut (11) zu halten.