DE3902191A1 - Vorrichtung zum funkenerosiven bearbeiten von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken, bei denen die aus Werkstück und Elektrode bestehende Bearbeitungseinheit impulsförmig mit einer von einer Versorgungsquelle abgegebenen Gleichspannung beaufschlagt wird.

Es ist bekannt, hierfür die Versorgungsspannungsquelle mit einem Anschluß, beispielsweise dem Minus-Anschluß, an das Werkstück anzuschließen und den Plus-Anschluß über einen Schalter mit der Bearbeitungselektrode zu verbinden. Durch Öffnen bzw. Schließen des Schalters läßt sich somit die Bearbeitungseinheit impulsweise mit Gleichspannung beaufschlagen. Zusätzlich zu dem im Laufe des Bearbeitungsvorganges erzielten gewünschten Abtrag kommt es bei jedem Beginn eines neuen Zündimpulses infolge der Funkenbildung zu einem Verschleiß an der auf positivem Potential liegenden Elektrode. Dieser wirkt sich zum einen ungünstig auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens aus, da der Elektrodenverschleiß einen hohen Kostenfaktor darstellt. Zum anderen ist es für bestimmte Anwendungen, beispielsweise zum Touchieren von Stahlformen, erforderlich, einen möglichst gleichen Abtrag von Elektrode und Werkstück zu erreichen. Mit dem herkömmlichen Verfahren bzw. der herkömmlichen Vorrichtung lassen sich solche in unterschiedliche Richtung gehenden Anforderungen bei der funkenerosiven Bearbeitung von Werkstücken nur unbefriedigend erreichen.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sich die Vielfalt der Bearbeitungsmöglichkeiten erhöhen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß vier, jeweils paarweise gemeinsam von einer Steuereinrichtung steuerbare Schalter vorgesehen sind, die in den Brückenzweigen einer Wheatstone′schen Brückenschaltung liegen, wobei die Bearbeitungseinheit den Querzweig der Brücke bildet.

Für ein Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Polaritäten der an Werkstück bzw. Elektrode anliegenden Spannungspotentiale umschaltbar sind.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in Erweiterung des Standes der Technik nunmehr die an Werkstück bzw. Elektrode anliegenden Potentiale beliebig umschaltbar sind. Durch entsprechende Ansteuerung der vier Schalter in der Brückenschaltung läßt sich einerseits bei unterschiedlicher Polarität von Werkstück und Elektrode die Polarität gemeinsam umschalten, während es andererseits auch möglich ist, Werkstück und Elektrode auf ein gemeinsames Potential zu legen. Hierdurch wird mit nur geringfügigem Mehraufwand die Vielfalt der Bearbeitungsmöglichkeiten erhöht.

Eine vorteilhalte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn eine den Spannungsabfall an der Bearbeitungseinheit ermittelnde Detektoreinheit vorgesehen ist, deren Ausgangssignal eine Eingangsgröße der Steuereinrichtung bildet. Wenn der Spanungsabfall über dem Bearbeitungsspalt ständig überwacht wird, kann anhand des Spannungsverlaufes der für die Umschaltung der Potentiale günstigste Zeitaugenblick festgestellt werden.

Diese Umschaltung kann beispielsweise mittels einer in der Steuereinrichtung vorhandenen Vergleichsschaltung automatisch erfolgen.

Wenn als steuerbarer Schalter Leistungs-Feldeffekttransistoren (Power FET) verwendet werden, besteht der besondere Vorteil darin, daß sich diese nahezu als ideale Schalter verhalten. Besonders die hohe Schaltgeschwindigkeit dieser Bauelemente wirkt sich vorteilhaft auf den Bearbeitungsvorgang aus. Dabei können die Schalter auch modulweise in Baugruppen von mindestens zwei Leistungs-Feldeffekttransistoren zusammengefaßt sein, so daß sich der Bauteileaufwand in Grenzen hält.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, wenn Werkstück und Elektrode auf unterschiedlichen Potentialen liegen. So können beispielsweise die Polaritäten der Potentiale während der Dauer des Gleichspannungsimpulses gemeinsam umgeschaltet werden. Da der Verschleiß beim Anschwingen des Zündimpulses stets an der positiven Elektrode erfolgt, kann durch die Möglichkeit der Auswahl der Potentiale bestimmt werden, ob zu Beginn des Impulses der Verschleiß an Werkstück oder an Elektrode stattfinden soll. Legt man beispielsweise zu Beginn des Impulses zunächst negatives Potential an die Elektrode, so kann der am Werkstück erfolgende Verschleiß als zusätzlicher Abtrag die Wirtschaftlichkeit des Verfahren deutlich erhöhen. Wird nach dem Ende des verschleißintensiven Anfangsbereichs des Zündimpulses die Polarität gemeinsam umgeschaltet, so kann jetzt der Abtrag in gewohnter Weise erfolgen, ohne daß die Elektrode noch wesentlich verschleißt.

Eine andere Variante der erfindungsgemäßen funkenerosiven Bearbeitung besteht darin, im Anschluß an eine vorgegebene Anzahl von Impulsen die Polaritäten der Potentiale für die nachfolgenden Impulse gemeinsam umzuschalten. Während im Verlaufe der ersten Impulsgruppe beispielsweise die Elektrode dem Hauptverschleiß infolge des anschwingenden Zündfunkens unterworfen ist, wird dies während der nachfolgenden Impulse durch die Polaritätenumkehr wieder ausgeglichen, indem jetzt beispielsweise das Werkstück dem Hauptverschleiß unterliegt. Auf diese Weise läßt sich bei geeigneter Wahl des Umschaltmomentes erreichen, daß Elektrode und Werkstück nahezu den gleichen Abtrag haben. Diese Anwendung eignet sich vorteilhaft zum Touchieren von Stahlformen.

Schließlich läßt sich als weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen, daß Werkstück und Elektrode in der Pause zwischen den Impulsen auf gleichem Potential liegen. Da die Impulspause auch der Entionisierung bzw. Entladung des zwischen Elektrode und Werkstück befindlichen Funkenspaltes dient, ist es von Vorteil, wenn Werkstück und Elektrode zwangsweise während dieses Zeitraums auf gleichem Potential liegen. In diesem Zusammenhang ist es auch denkbar, zu Beginn der Impulspause bzw. zum Ende des vorhergehenden Impulses die vorher geltende Polarität kurz umzupolen, um somit die Entladung des Funkenspaltes weiter zu fördern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen

Bild 1 die Anordnung einer herkömmlichen Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken,

Bild 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken,

Bild 3 den Ablauf des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung nach Bild 2.

Wie aus Bild 1 hervorgeht, zeigt die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken ein zu bearbeitendes Werkstück 1 b, die Bearbeitungselektrode 1 a und eine Gleichspannungsversorgungsquelle 3. Das Werkstück 1 b ist fest mit dem Minus-Anschluß der Versorgungsquelle 3 verbunden, während das positive Potential der Versorgungsquelle 3 über einen Schalter 2 und eine nicht näher zu erläuternde Widerstandsbaugruppe an der Bearbeitungselektrode 1 a anliegt. Durch Öffnen bzw. Schließen des Schalters 2 lassen sich Gleichspannungsimpulse an die Bearbeitungseinheit 1 a, 1 b anlegen. Die Polarität dieser Gleichspannungsimpulse ist jedoch gleichbleibend, so daß die beim Anschwingen des Zündimpulses entstehenden verschleißbedingten Abträge stets an der auf positivem Potential liegenden Bearbeitungselektrode 1 a anfallen.

Eine erfindungsgemäße Variante für eine Funkenerosionsvorrichtung ist in Bild 2 dargestellt. Vier von einer Steuereinrichtung 4 steuerbare Schalter 2 a-d sind in Form einer Wheatstone′schen Brückenschaltung angeordnet. Den Querzweig der Wheatstone′schen Brückenschaltung bildet die aus Elektrode 1 a und Werkstück 1 b bestehende Bearbeitungseinheit (Brückenzweig e). Die Versorgungsspannung für die Brücke wird durch die Gleichspannungsversorgungsquelle 3 geliefert. Jeweils zwei der in den Brückenzweigen a-d angeordneten steuerbaren Schalter 2 a-d sind gemeinsam von der Steuereinrichtung 4 umschaltbar. Hierdurch läßt sich die Polarität der an Werkstück 1 b bzw. Elektrode 1 a anliegenden Gleichspannungsimpulse umschalten. Sind beispielsweise die Schalter 2 a und 2 d geschlossen, während die Schalter 2 c und 2 b geöffnet sind, liegt am Werkstück 1 b positives und an der Elektrode 1 a negatives Potential an. Umgekehrte Verhältnisse ergeben sich, wenn die Schalter 2 a, 2 d geöffnet und die Schalter 2 c, 2 b geschlossen sind. Sind hingegen die Schalter 2 a und 2 c geöffnet und die Schalter 2 b und 2 d geschlossen, so liegt positives Potential sowohl an Werkstück 1 b als auch an Elektrode 1 a.

Um den Spannungsabfall entlang der Bearbeitungsstation zu messen, ist eine Detektoreinrichtung 5 vorgesehen, die jeweils mit einem Potential der Bearbeitungselektrode 1 a bzw. des Werkstücks 1 b verbunden ist. Das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 5 stellt somit die Spannung über dem Bearbeitungsspalt (U _sp) dar. Dieses Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 5 kann als Eingangssignal für die Steuereinrichtung 4 verwendet werden und ermöglicht somit eine beispielsweise automatisierte Umschaltung eines gewünschten Schalterpaares.

Die Schalter 2 a-d sind vorzugsweise sog. Power FETs, die sich durch eine hohe Schaltgeschwindigkeit verbunden mit hoher schaltbarer Leistung auszeichnen. Hinsichtlich ihrer Schalteigenschaften kommen sie somit einem idealen Schalter sehr nahe. Verluste bzw. Umschaltvorgänge bedingt durch endliche Schaltzeiten der Schalter werden daher weitgehend ausgeschlossen.

Eine erfindungsgemäße Verfahrensvariante ist in Bild 3 dargestellt. Sie zeigt eine funkenerosive Bearbeitung von Werkstücken, welche hinsichtlich eines maximalen Abtrags optimiert ist.

Dabei setzt sich der Abtrag aus dem im Verlaufe der Bearbeitung erfolgenden ständigen Abtrag und dem durch Elektrodenverschleiß bedingten Abtrag zusammen. Der Elektrodenverschleiß findet überwiegend zu Beginn des Zündimpulses an der Elektrode mit positivem Potential statt. Um diesen zündfunkenbedingten Verschleiß auszunutzen wird gemäß Bild 3 zunächst bei Beginn des Impulses durch die in Bild 3a gezeigte Schalterstellung die Bearbeitungselektrode auf negatives Potential und das Werkstück auf positives Potential gelegt. Während dieser mit "S 1" gekennzeichneten Schalterstellung erfolgt somit der verschleißbedingte Abtrag am Werkstück. Nach Abklingen dieser mit hohem Verschleiß behafteten Phase des Impulses erfolgt eine Polaritätsumkehr durch Umwechseln in die Schalterstellung "S 2", die in Bild 3b dargestellt ist. Der zugehörige Spannungsverlauf ist dem Spannungsdiagramm entnehmbar. In dieser Phase ist der zündfunkenbedingte Verschleiß nur noch unwesentlich und der Abtrag erfolgt nunmehr durch den "normalen Abtrag".

Gegen Ende des Impulses (nach Ablauf der Zeit T 1) erfolgt eine weitere Änderung im Schalterzustand (Zustand "S 3", vgl. Bild 3c). Durch die in diesem Bild gezeigte Schalterstellung liegen Werkstück und Elektrode nunmehr auf gleichen Potential, wie auch aus dem Spannungsdiagramm hervorgeht. Da das Ende des Impulses ohnehin nur noch wenig zum Abtrag beiträgt, wird dies erfindungsgemäß dadurch genutzt, daß die Entionisierung und Entlasung des Funkenspaltes, für den normalerweise nur der Zeitraum zwischen den Impulsen zur Verfügung steht, bereits in diesem Zeitabschnitt eingeleitet wird, so daß die Zeitdauer zwischen den Impulsen entsprechend kürzer gewählt sein kann. Durch diese Zwangsvorgabe der Spannung 0 am Bearbeitungsspalt läßt sich somit der Wirkungsgrad der Bearbeitung noch weiter erhöhen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken bestehend aus einer Bearbeitungseinheit aus Werkstück (1 b) und Elektrode (1 a), an die jeweils ein Potentialanschluß einer Gleichspannungsquelle (3) anschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß vier, jeweils paarweise gemeinsam von einer Steuereinrichtung (4) steuerbare Schalter (2 a-2 d) vorgesehen sind, die in den Brückenzweigen a-d einer Wheatstone′schen Brückenschaltung liegen, wobei die Bearbeitungseinheit (1 a, 1 b) den Querzweig e der Brücke bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Spannungsabfall an der Bearbeitungseinheit (1 a, 1 b) ermittelnde Detektoreinheit (5) vorgesehen ist, deren Ausgangssignal U _sp eine Eingangsgröße der Steuereinrichtung (4) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (2 a-d) Leistungs-Feldeffekttransistoren sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (2 a-d) in Baugruppen von mindestens zwei Leistungsfeldeffekttransistoren zusammengefaßt sind.

5. Verfahren zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken, bei dem die aus Werkstück (1 b) und Elektrode (1 a) bestehende Bearbeitungseinheit impulsweise mit Gleichspannung beaufschlagt wird, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polaritäten der an Werkstück (1 b) bzw. Elektrode (1 a) anliegenden Spannungspotentiale umschaltbar sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstück (1 b) und Elektrode (1 a) auf unterschiedlichen Potentialen liegen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polaritäten während der Impulsdauer gemeinsam umgeschaltet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung unmittelbar im Anschluß an den verschleißintensiven Anfangsbereich des Zündimpulses erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an eine vorgegebene Anzahl von Impulsen die Polaritäten der Potentiale für die nachfolgenden Impulse gemeinsam umgeschaltet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstück (1 b) und Elektrode (1 a) in der Pause zwischen den Impulsen auf gleichem Potential liegen.