DE3902191C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken mittels Gleichspannungsimpulsen, bei dem die an Werkstück bzw. Elektrode anliegenden unterschiedlichen Spannungspotentiale gemeisam umschaltbar sind.

Es ist z. B. aus der DE 34 19 945 C1 bekannt, bei der funkenerosiven Bearbeitung von Werkstücken die Versorgungsspannungsquelle mit einem Anschluß, beispielsweise dem Minus-Anschluß, an das Werkstück anzuschließen und den Plus-Anschluß über einen Schalter mit der Arbeitselektrode 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 gleichmäßigen Abtrag von Elektroden und Werkstück zu erreichen.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-PS 10 08 428 bekannt.

Durch Betätigen eines zwischen Versorgungsspannungsquelle und aus Werkstück und Elektrode bestehender Bearbeitungseinheit liegenden Umschalters vertauschen Werkstück und Elektrode ihre Polarität, während der Funkenentladung, so daß am Werkstück eine größere Materialmenge abgetragen wird als an der Elektrode. Durch die Wahl der Polung kann somit die Masse des erodierten Materials verändert werden. Bei dem bekannten Verfahren erfolgt die Umpolung der Spannungspotentiale im Laufe des Bearbeitungsfortschritts, um bei der Bearbeitung von Bohrungen die durch den Abstand der Elektrode verursachte Änderung des Bohrquerschnittes zu kompensieren. Aufgrund der Ausführung des Umschalters als mechanisches Bauelement kommt es jedoch bei dem bekannten Verfahren bei jedem Umschaltvorgang zu Kontaktabbrandserscheinungen an den Schalterkontakten, wodurch die Lebensdauer der bekannten Vorrichtung begrenzt ist. Zum anderen ist die Genauigkeit und der Wirkungsgrad des Bearbeitungsvorganges verbesserungsbedürftig, da die Flankensteilheit der an der Bearbeitungseinheit anliegenden Impulse aufgrund der Trägheit des mechanischen Umschalters gering ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art hinsichtlich Genauigkeit und Wirkungsgrad weiterzuentwickeln, sowie Vorrichtungen anzugeben, die zur Durchführung der Verfahren verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird nach einer ersten Variante der Erfindung bei einem Verfahren zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken mittels Gleichspannungsimpulsen, bei dem die an Werkstücke bzw. Elektrode anliegenden, unterschiedlichen Spannungspotentiale gemeinsam umschaltbar sind, dadurch gelöst, daß die gemeinsame Umschaltung der unterschiedlichen Spannungspotentiale während eines Gleichspannungsimpulses im Anschluß an den verschleißintensiven Anfangsbereich erfolgt:

Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, daß eine Potentialumkehr mit hoher Flankensteilheit innerhalb eines Impulses erfolgt, der technologisch in zwei Bereiche unterteilt werden kann, da sich der Abtrag aus dem im Verlauf der Bearbeitung erfolgenden ständigen Abtrag und dem durch Elektrodenverschluß bedingten Abtrag zusammensetzt. 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 am Werkstück oder an der 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 Wirtschaftlikeit des Verfahrens 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.

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken mittels Gleichspannungsimpulsen, bei dem die an Werkstück bzw. Elektrode anliegenden Spannungspotentiale gemeinsam umsetzbar sind, dadurch gelöst, daß die gemeinsame Umschaltung nach einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen erfolgt. Während im Verlaufe der ersten Impulsgruppe beispielsweise die Elektrode dem Hauptverschluß infolge des anschwingenden Zündfunkens unterworfen ist, wird dies während der nachfolgenden Impulse durch die Polaritätsumkehr 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.

Als bevorzugte Ausgestaltung der beiden dargestellten Varianten der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, daß in der Pause zwischen zwei Impulsen eine Umschaltung eines der Spannungspotentiale von Werkstück oder Elektrode derart erfolgt, daß während der Pause zwischen Werkstück und Elektrode keine Potentialdifferenz besteht. 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 der vorhergehenden Impulse die vorher geltende Polarität kurz umzupolen, um somit die Entladung des Funkenspaltes weiter zu fördern.

Zur Lösung der Aufgabe und zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren eignet sich die Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus einer Bearbeitungseinheit aus Werkstück und Elektrode, an die jeweils ein Potentialanschluß einer Gleichspannungsquelle anschaltbar ist, vier, jeweils paarweise gemeinsam von einer Steuereinrichtung steuerbare Schalter, die in den Brückenzweigen einer Wheatstone'schen Brückenschaltung liegen, wobei die Bearbeitungseinheit den Querzweig der Brücke bildet und wobei die steuerbaren Schalter Leistungsfeldeffekttransistoren sind. Dadurch läßt sich eine einfache Anpassung an die jeweils durchzuführenden Verfahrensbedingungen, d. h. die jeweiligen Stellungen der Schalter bewirken.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 35 38 494 C2 bekannt. Dadurch, daß die steuerbaren Schalter Leistungs-Feldeffekttransistoren sind, ergibt sich zum einen eine kurze Schaltzeit, so daß die gewünschte Umschaltung gemäß der ersten Variante der Erfindung innerhalb eines Gleichspannungsimpulses ermöglicht wird und zum anderen erübrigt sich das aus dem Stand der Technik bekannte Problem des Kontaktabbrandes.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn eine den Spannungsabfall an der Bearbeitungseinheit ermittelnde Detektoreinheit vorgesehen ist, die als Ausgangssignal eine Eingangsgröße für die Steuereinrichtung bildet. Wenn der Spannungsabfall über dem Arbeitsspalt ständig überwacht wird, kann anhand des Spannungsverlaufes der für die Umschaltung der Potentiale günstigste Augenblick festgestellt werden. Hierdurch ergibt sich eine optimale Anpassung der Verfahrensbedingungen an das zu bearbeitende Werkstück.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt

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

Bild 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 1b, die Arbeitselektrode 1a und eine Gleichspannungsversorgungsquelle 3.

Das Werkstück 1b 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 Arbeitselektrode 1a anliegt. Durch Öffnen bzw. Schließen des Schalters 2 lassen sich Gleichspannungsimpulse an die Bearbeitungseinheit 1a, 1b 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 Arbeitselektrode 1a anfallen.

Eine Variante einer Funkenerosionsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Bild 2 dargestellt. Vier von einer Steuereinrichtung 4 steuerbare Schalter 2a-d sind in Form einer Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet. Den Querzweig der Wheatstone'schen Brückenschaltung bildet die aus Elektrode 1a und Werkstück 1b 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 2a-d sind gemeinsam von der Steuereinrichtung 4 umschaltbar. Hierdurch läßt sich die Polarität der an Werkstück 1b bzw. Elektrode 1a anliegenden Gleichspannungsimpulse umschalten. Sind beispielsweise die Schalter 2a und 2d geschlossen, während die Schalter 2c und 2b geöffnet sind, liegt am Werkstück 1b positives und an der Elektrode 1a negatives Potential an. Umgekehrte Verhältnisse ergeben sich, wenn die Schalter 2a, 2d geöffnet und die Schalter 2c, 2b geschlossen sind. Sind hingegen die Schalter 2a und 2c geöffnet und die Schalter 2b und 2d geschlossen, so liegt positives Potential sowohl an Werkstück 1b als auch an Elektrode 1a.

Um den Spannungsabfall am Arbeitsspalt zu messen, ist eine Detektoreinrichtung 5 vorgesehen, die jeweils mit einem Potential der Arbeitselektrode 1a bzw. des Werkstücks 1b verbunden ist. Das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 5 stellt somit die Spannung über dem Arbeitsspalt (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 2a-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.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Bild 3 dargestellt. Es 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 Arbeitselektrode auf negatives Potential und das Werkstück auf positives Potential gelegt.

Während dieser mit "S1" 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 "S2", 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 T1) erfolgt eine weitere Änderung im Schalterzustand (Zustand "S3", vgl. Bild 3c). Durch die in diesem Bild gezeigte Schalterstellung liegen Werkstücke und Elektrode nunmehr auf gleichem 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 Entgasung 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 Arbeitsspalt läßt sich somit der Wirkungsgrad der Bearbeitung noch weiter erhöhen.

Claims (6)

1. Verfahren zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken mittels Gleichspannungsimpulsen, bei dem die an Werkstück (1b) bzw. Elektrode (1a) anliegenden unterschiedlichen Spannungspotentiale gemeinsam umschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Umschaltung während eines Gleichspannungsimpulses im Anschluß an dessen verschleißintensiven Anfangsbereich erfolgt.

2. Verfahren zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken mittels Gleichspannungsimpulsen, bei dem die an Werkstück (1b) bzw. Elektrode (1a) anliegenden unterschiedlichen Spannungspotentiale gemeinsam umschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Umschaltung nach einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pause zwischen zwei Impulsen eine Umschaltung eines der Spannungspotentiale von Werkstück (1b) oder Elektrode (1a) derart erfolgt, daß während der Impulspause zwischen Werkstück (1b) und Elektrode (1a) keine Potentialdifferenz besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Impulspause eine zusätzliche gemeinsame Umschaltung der an Werkstück (1b) bzw. Elektrode (1a) anliegenden unterschiedlichen Spannungspotentials erfolgt.

5. Verwendung einer Vorrichtung bestehend aus einer Bearbeitungseinheit aus Werkstück (1b) und Elektrode (1a), an die jeweils ein Potentialanschluß einer Gleichspannungsquelle (3) anschaltbar ist, vier jeweils paarweise gemeinsam von einer Steuereinrichtung (4) steuerbare Schalter (2a-2d), die in den Brückenzweigen (a-d) einer Wheatstone'schen Brückenschaltung liegen, wobei die Bearbeitungseinheit (1a, 1b) den Querzweig (e) der Brücke bildet und wobei die steuerbaren Schalter (2a-2d) Leistungs-Feldeffekttransistoren sind, zur Durchführung eines der Verfahren gemäß der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4.

6. Verwendung einer Vorrichtung bestehend aus einer Bearbeitungseinheit aus Werkstück (1b) und Elektrode (1a), an die jeweils ein Potentialanschluß einer Gleichspannungsquelle (3) anschaltbar ist, vier jeweils paarweise gemeinsam von einer Steuereinrichtung (4) steuerbarer Schalter (2a-2d), die in den Brückenzweigen (a-d) einer Wheatstone'schen Brückenschaltung liegen, wobei die Bearbeitungseinheit (1a, 1b) den Querzweig (i) der Brücke bildet und wobei die steuerbaren Schalter (2a-2d) Leistungs-Feldeffekttransistoren sind, wobei eine den Spannungsabfall an der Bearbeitungseinheit (1a, 1b) ermittelnde Detektoreinheit (5) vorgesehen ist, deren Ausgangssignale eine Eingangsgröße der Steuereinrichtung (4) bildet, zur Durchführung eines der Verfahren gemäß der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4.