DE4132879A1

DE4132879A1 - Dielektrische fluessigkeit fuer die metallbearbeitung durch funkenerosion

Info

Publication number: DE4132879A1
Application number: DE4132879A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Storr; Wilhelm Rehbein
Original assignee: Oel-Held GmbH
Current assignee: Oel-Held GmbH
Priority date: 1991-10-03
Filing date: 1991-10-03
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2011-10-04
Also published as: DE4132879C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Flüssigkeit für die Metallbearbeitung durch Funkenerosion nach dem Oberbe griff des Patentanspruches 1.

Beim Funkenerosionsverfahren erfolgt eine abtragende Bearbei tung eines Werkstücks durch Funkenentladungen zwischen einer Arbeitselektrode und dem als andere Elektrode fungierenden Werkstück. Zwischen den Elektroden befindet sich die dielektri sche Flüssigkeit, welche die Elektroden so voneinander iso liert, daß der elektrische Durchschlag erst bei geringstmög lichen Abständen erfolgt. Das Dielektrikum soll außerdem möglichst schnell den Aufbau eines Funkens ermöglichen, den Funkenentladekanal während der Entladung zur Erzielung einer hohen Energiedichte möglichst einschnüren und den Entladekanal nach Abbruch des Funkens schnell entionisieren. Es dient außerdem zur Kühlung der Arbeitselektrode und des Werkstücks sowie zum Abtransport der vom Werkstück und verschleißbedingt von der Arbeitselektrode abgetragenen Schmutzpartikel.

Das Dielektrikum hat demgemäß einen wesentlichen Einfluß auf den Ablauf einer Funkenentladung, ein Vorgang, der noch nicht in allen Einzelheiten voll verstanden und Gegenstand intensiver Forschung ist. Die unterschiedlichen, an die dielektrische Flüssigkeit zu stellenden Anforderungen sind beispielsweise in dem Prospekt "Wissenwertes zur Senkerosion" der Firma Oel-Held, Ausgabe März 1990, beschrieben. Es ist hieraus auch bekannt, Dielektrika auf der Basis entionisierten Wassers oder von durch Destillation und Raffination von Mineralölen bzw. synthetisch gewonnener Kohlenwasserstoffverbindungen einzusetzen. Bekannte dielektrische Flüssigkeiten für die Metallbearbeitung enthalten entweder hohe Konzentrationen arbeitsmedizinisch bedenklicher aromatischer Kohlenwasserstoffverbindungen oder sind in ihren Abtragsleistungen sowie besonders beim Poliererodieren in der Oberflächengüte relativ stark begrenzt, da hier die geringen Energieinhalte der dabei benutzten Funken einen extrem engen Arbeitsspalt voraussetzen, der den Zusammenbruch des Erodier prozesses zur Folge hat.

Eine dielektrische Flüssigkeit, die wenigstens zu 30 Gewichts prozenten aus aromatischen Verbindungen besteht, die mindestens zwei homozyklische, monozyklische C₆-Ringstrukturen enthalten, ist in der DE 26 32 180 A1 offenbart. Mit einem solchen Dielek trikum sollen die unterschiedlichen Anforderungen beim Schrup pen einerseits und beim Schlichten andererseits jeweils zufrie denstellend erfüllt werden. Die Verwendung derartiger aromati scher Verbindungen in solcher Konzentration ist jedoch unter arbeitsmedizinischen Gesichtspunkten bedenklich. Der Einsatz eines solchen Dielektrikums erfordert daher entsprechende Sicherheitsaufwendungen, damit keine toxischen oder allergi schen Reaktionen beim Umgang mit dieser Flüssigkeit auftreten. So zählen bekanntermaßen eine Anzahl aromatischer Verbindungen zu den krebserregenden Substanzen. Dielektrika auf der Basis von Wasser oder gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen enthalten solche aromatischen Verbindungen nicht in derart hoher Konzentration.

ln der GB-PS 10 03 664 wird die Verwendung von Dielektrika empfohlen, die ein Kohlenstoff:Wasserstoff-Verhältnis zwischen 0,8 : 1 und 1,8 : 1 aufweisen und aus einer Fraktionierung von Steinkohlenteer gewonnen werden. Auch hier handelt es sich um Kohlenwasserstoffmischungen mit einem hohen Anteil an aromati schen Verbindungen.

In der US-PS 36 39 275 ist die Zugabe eines Additivs zu einem Dielektrikum auf Mineralölbasis beschrieben, wobei das Mineral öl zwischen 10 und 30 Gewichtsprozenten aromatische Kohlenwas serstoffverbindungen enthält und das Additiv aus homozyklischen monozyklischen Kohlenwasserstoffen in Form von Phenolverbindun gen sowie organischen Erdalkalisulfonaten besteht. Dieses Di elektrikum weist somit ebenfalls einen hohen Anteil aromati scher Verbindungen auf; außerdem ist der Zusatz der als Anti oxidantien wirkenden Phenolverbindungen unter arbeitsmedizini schen Gesichtspunkten problematisch.

Eine Verbesserung der Eigenschaften des Dielektrikums wird in der US-PS 36 48 013 im Zusatz eines Alkylsalicylsäure-Chrom salzes sowie eines Erdalkalisalzes bestimmter Dialkylsulfosuc cinate in einer Konzentration von jeweils 1 bis 10 Gewichtspro zenten zwecks Leitfähigkeitsverbesserung gesehen. Bei dem Alkylsalicylsäure-Chromsalz handelt es sich um eine mono cyclische aromatische Verbindung mit einem toxisch wirkenden Schwermetall, auch dies ist aus heutiger Sicht unter arbeits medizinischen Gesichtspunkten problematisch.

Das Beigeben eines Additivs zu einem Dielektrikum auf Silikonöl- oder Kohlenwasserstoffbasis ist auch aus der US-PS 37 08 422 bekannt. Dort wird das Beigeben aliphatischer Kohlen wasserstoffamine empfohlen, die aus 10 bis 50 Kohlenstoffatomen bestehen. Mit einem solchen Additiv soll der Metallabtragindex verbessert werden, wobei die Konzentration des Additivs als unkritisch angesehen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dielektrische Flüssigkeit der eingangs genannten Art vorzusehen, mit deren Verwendung bei der Funkenerosion ein bestmöglicher Verfahrens ablauf erreicht wird und insbesondere eine hohe Abtragleistung bei gleichzeitig geringem Arbeitselektrodenverschleiß erzielbar ist und die gleichzeitig unter arbeitsmedizinischen Gesichts punkten vergleichsweise unbedenklich einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine dielektrische Flüssigkeit mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Da sie im wesentlichen aus einem Wasser-Polyolgemisch oder aber aus gesättigten ali phatischen Kohlenwasserstoffverbindungen besteht, die sowohl naphtenischer, n-paraffinischer oder iso-paraffinischer Struk tur sein können oder auch aus einer Mischung derselben bestehen können, treten keine hohen Konzentrationen aromatischer Verbin dungen auf. Es hat sich gleichzeitig gezeigt, daß das Beigeben eines Additivs mit gegenüber gesättigten aliphatischen Kohlen wasserstoffen höherer Polarisierbarkeit in einer Konzentration von maximal einem Gewichtsprozent den Funkenerosionsvorgang sehr gezielt positiv beeinflußt. Der Zusatz des Additives in die Dielektrikum-Basisflüssigkeit erfolgt nicht nur zur Verbes serung der Metallabtragsrate oder zur Verminderung des Werk stückelektrodenverschleißes. In erster Linie wird die Absicht verfolgt, mit Hilfe von Substanzen, die feinstverteilt in der Dielektrikumflüssigkeit schweben und durch die Wirkung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden zu stärkeren Dipo len als die aliphatischen Kohlenwasserstoffe werden, in das Dielektrikum chemische Satellitenelektroden einzubringen. Beim Anlegen der Spannung richten sich diese chemischen Satelliten elektroden entlang der Feldlinien des elektrischen Feldes aus und beeinflussen die Funkenentladung in der aus Fig. 1 ersicht lichen Weise. In dieser Fig. 1 ist mit einer durchgezogenen Linie jeweils der Spannungsverlauf (U) bzw. Stromverlauf (I) bei Einsatz eines herkömmlichen Dielektrikums und mit unter brochenen Linien der entsprechende Verlauf bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Dielektrikums dargestellt. Mit t_d1 ist die Zündzeitverzögerung bei erfindungsgemäßen Dielektrika und mit t_d2 die Zündzeitverzögerung bei herkömmlichen Dielektrika bezeichnet.

1.) Es entstehen in der dielektrischen Flüssigkeit entlang der chemischen Satellitenelektroden Kanäle mit erhöhter elektri scher Leitfähigkeit. Die für den Funkendurchschlag erforderli che Entladungsbrücke wird schneller aufgebaut, dies führt zu einem steileren Anstieg der Zündspannung (siehe Fig. 1 Verlauf der Spannung U über die Zeit) und damit zu einem schnelleren Entladevorgang. Dadurch wird der Materialabtrag pro Zeiteinheit gesteigert.
2.) Auch erfolgt im Gegensatz zu den bisher gebräuchlichen Funkenerosionsflüssigkeiten bei dem neuen Dielektrikum der Elektronenfluß nicht direkt von der Kathode zur Anode. Die Elektronen werden hier auf ihrem Weg überwiegend von den feinstverteilten chemischen Satellitenelektroden angezogen und entlang vielfach verzweigter Entladungskanäle weitergegeben. Da sie bei diesem Vorgang einen Teil ihrer kinetischen Energie verlieren, treffen sie letztlich mit einer verhältnismäßig geringen Energie auf die Anode auf.
Durch den steilen Anstieg der Zündspannung wird gleichzeitig eine Verringerung der Zündzeitverzögerung erreicht (siehe Fig. 1). Beide Effekte bewirken eine Verringerung des Verschleißes der Anode (bei groben bis mittleren Bearbeitungsstufen die Werkzeugelektrode) gegenüber herkömmlichen Dielektrika zur Funkenerosion um bis zu 25%.
3.) Beim Poliererodieren (feinste Bearbeitungsstufen) dient das Werkstück in umgekehrter Polung als Anode. Dadurch treffen die Elektronen jetzt - wiederum bedingt durch die chemischen Satel litenelektroden - mit gegenüber herkömmlichen Dielektrika ge ringerer kinetischer Energie und vergleichsweise breitgestreut auf das Werkstück auf. Vor allem aber führt die Fähigkeit der chemischen Satellitenelektroden, den Aufbau der Entladungs brücke zwischen den Elektroden zu beschleunigen, zu der Mög lichkeit, einen geringeren mittleren Arbeitsstrom zur Bearbei tung des Werkstücks einzusetzen. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, wo das Verhalten der Abtragsrate (V_W) bei Verringerung des mittleren Arbeitsstroms (I) aufgetragen ist. Man erkennt deutlich, daß der Kurvenverlauf (1), der dem Verhalten eines herkömmlichen Dielektrikums entspricht, unterhalb der Kurve (2) liegt, die das Verhalten der Abtragsrate (V_W) zum Arbeits strom (I) eines erfindungsgemäßen Dielektrikums zeigt. Der für die gleiche Abtragung benötigte Arbeitsstrom ist für die Erfindung niedriger. Durch diese, mit bisher üblichen dielektrischen Flüssigkeiten nicht mögliche Technik lassen sich sehr gut polierte Werkstückoberflächen mit Oberflächenrauheiten von weniger als 0,1 Mikrometer erzielen. Diese Polierleistung ist in ihrer Oberflächengüte und Schnelligkeit mit den bisher üblichen Dielektrika auf der Basis von Wasser oder gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen ohne den erfindungsgemäßen Zusatz eines Additivs nicht erreichbar.

Als weiterer Verdienst der Erfindung ist hervorzuheben, daß erkannt wurde, daß der Einsatz des hochpolarisierbaren Additivs in der genannten geringen Konzentration auch die Dispergie rungseigenschaften des Dielektrikums positiv beeinflußt. Es wird beobachtet, daß die bei der Funkenentladung abgetragenen Schmutzpartikel explosionsartig unter äußerst guter Dispergie rung aus dem Funkenentladungsbereich auseinanderfliegen. Dies reduziert zusätzlich die Kurzschlußneigung. Verantwortlich für diese gute Dispergierungseigenschaft könnte sein, daß die in den Satellitenelektroden als elektrische Dipole ausgerichteten Additivmoleküle eine schnellere Verteilung der abgetragenen metallischen, d. h. elektrisch leitfähigen, Schmutzpartikel auf grund elektrischer Abstoßungskräfte bewirken.

Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 gibt eine bevorzugte Stoffklasse für das Additiv an. Alle organischen Substanzen, die in aliphatischen Kohlenwasserstoffen oder in Wasser zumindest in Spuren löslich sind und in deren chemischer Struktur Mehrfachbindungen vorkommen, fallen unter diese Stoff klasse, nicht jedoch aminische Verbindungen. Additive aus die ser Stoffklasse sind unter arbeitsmedizinischen Gesichtspunkten unbedenklich. Die in den Molekülen dieser Additive vorhandenen Mehrfachbindungen der Kohlenstoffatome gewährleisten die gegenüber gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen höhere Polarisierbarkeit.

Bei der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 werden als Additiv anorganische, elektrisch leitfähige Partikel mit einer Korngröße kleiner als etwa 0,1 Mikrometer beigegeben. Solche anorganischen Partikel sind ohne arbeitsmedizinische Probleme handhabbar. Diese Partikel dienen nicht lediglich als Leit fähigkeitsverbesserer, sondern vor allem zum Aufbau der oben genannten Satellitenelektroden, wozu sich Partikel mit einer Korngröße kleiner als etwa 0,1 Mikrometer, die in der Träger flüssigkeit suspensionsartig schweben, als besonders günstig erwiesen haben.

Zwei konkrete Beispiele von Additiven seien nachfolgend kurz genannt.

Einer synthetisch hergestellten Mischung aus n- und iso-Paraf finen mit folgenden physikalischen Daten:

Dichte b. 15°C
0,7930 g/cm³
kin. Viskosität b. 20°C	4,3 mm²/s
kin. Viskosität b. 40°C	2,8 mm²/s
Flammpunkt (PM)	107°C
Aromatengehalt:	<0,5 Gew.-%

werden 0,004 Gew.% eines im Teil I des bekannten Colour-Indexes als Solvent Green 5 bezeichneten Farbstoffes beigemischt. Dieser Stoff fällt als ein Anthrachinon-Derivat unter die Gruppe der in Anspruch 2 genannten organischen Additive, wobei diese Sub stanz in der verwendeten Menge unter den Gesichtspunkten der Betriebssicherheit und der Arbeitshygiene unbedenklich ist.

Folgende Erodierergebnisse wurden bei Versuchen auf einer kom merziellen Funkenerosionsmaschine der Firma MAHO-Hansen GmbH, 6116 Eppertshausen, gemessen:.

Cu-Elektrode 10×10 mm, Leistungsstufe LS 10-3/Impulsdauer Ti 175-20 µs/Tastverhältnis Tau 75-60%/Erodierzeit = 1 h

Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten und vorher erläuterten Ergebnisse wurden unter Verwendung eines Dielektrikums nach diesem Beispiel (Solvent Green) erzielt.

Als Vertreter der unter Anspruch 3 fallenden Additive hat sich die Zugabe von Bariumsulfat-Pigment als Additiv besonders be währt. Dabei werden einer synthetisch hergestellten Mischung aus n- und iso-Paraffinen mit folgenden physikalischen Daten:

Dichte b. 15°C
0,7750 g/cm³
kin. Viskosität b. 20°C	3,4 mm²/s
Flammpunkt (PM)	109°C
Aromatengehalt:	<0,5 Gew.-%

0,002 Gewichtsprozent eines Bariumsulfat-Pigments mit einer Partikelgröße von ca. 10-40 Å beigemischt. Dieser Stoff fällt unter die in Anspruch 3 genannte Gruppe der anorganischen Addi tive und ist in der verwendeten Menge unter den Gesichtspunkten der Betriebssicherheit und Arbeitshygiene unbedenklich.

Folgende Erodierergebnisse wurden auf einer Versuchs-Funkenero sionsmaschine gemessen:

Schlichtstufe:
Impulszeit = 9; Pausenzeit = 3; Servogeschwindigkeit = 3,5; Stromstärke = 2 A; Elektrodenspülung = 2,5-3 l/h; Versuchsdauer = 1 h

Schruppstufe:
Impulszeit = 12; Pausenzeit = 3; Servogeschwindigkeit = 4; Stromstärke = 10 A; Elektrodenspülung = 6-7 l/h; Versuchsdauer = 1 h

Es ist zudem anzumerken, daß die erfindungsgemäße dielektrische Flüssigkeit für alle in Funkenerosionsanlagen gebräuchlichen Filterelemente geeignet ist und aufgrund ihrer Zusammensetzung nicht als brennbare Flüssigkeit einzustufen ist und kein Gefahrgut darstellt.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Erfindung durch die Zugabe eines Additivs hoher Polarisierbarkeit in geringer Konzentration als gezielte Verunreinigung eines Dielektrikums auf Wasserbasis oder auf Basis gesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoffe eine wesentliche Verbesserung der funkenerosiven Eigenschaften hervorruft, was vor allem auf den Effekt der Bildung von chemischen Satellitenelektroden durch die hochpolarisierbaren Additivmoleküle zurückgeführt wird. Bei sonst gleichen Prozeßparametern steigt beim Schruppen die Abtragsleistung beträchtlich an, eine weitere Steigerung ist dadurch zu erwarten, daß kleinere Impulspausen zwischen den Funkenentladungen aufgrund des schnelleren Anstiegs der Zünd spannung möglich werden. Unter umgekehrter Elektrodenpolung lassen sich in kürzester Zeit hervorragende Polierergebnisse erreichen.

Claims

1. Dielektrische Flüssigkeit für die Metallbearbeitung durch Funkenerosion, welche im wesentlichen aus einer Mischung von deionisiertem Wasser und Polyolen oder aus gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen mit einem Anteil an aromatischen Kohlenwasserstoffen kleiner als ein Gewichtspro zent besteht und der ein Additiv beigegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv in einer Konzentration von maximal einem Gewichtsprozent beigegeben ist und aus einer oder mehreren Substanzen mit gegenüber gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen höherer Polarisierbarkeit besteht.

2. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus gesättigten aliphati schen Kohlenwasserstoffen besteht und als Additiv organische Substanzen beigegeben sind, deren Kohlenstoffatome wenigstens teilweise durch Mehrfachbindungen miteinander verbunden sind und/oder deren molekulare Struktur neben Kohlenstoff und Wasserstoff noch wenigstens ein weiteres Element, aber keine homozyklischen monozyklischen C₆-Ringe enthält.

3. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus gesättigten aliphati schen Kohlenwasserstoffen besteht und als Additiv anorganische, elektrisch leitfähige Partikel mit einer Korngröße kleiner als etwa 0,1 Mikrometer beigegeben sind.

4. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß als Additiv der im Teil I des Colour-Indexes mit Solvent Green 5 bezeichnete Farbstoff verwendet wird.

5. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß als Additiv Bariumsulfat-Pigment verwendet wird.