DE4132879C2

DE4132879C2 - Dielektrische Flüssigkeit für die Metallbearbeitung durch Funkenerosion

Info

Publication number: DE4132879C2
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: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2011-10-04
Also published as: DE4132879A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Flüssigkeit für die Metallbearbeitung durch Funkenerosion nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 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 transparente dielektrische Flüssigkeit dieser Art für Funkenerosionsmaschinen ist aus der EP 02 61 546 A2 bekannt. Diese dielektrische Flüssigkeit besteht aus einer Mischung von Mineralöl und/oder einem synthetischen Öl und einem spezifischen Anteil an deionisiertem Wasser. Als Mineralöl werden dabei z. B. Paraffinöle verwendet. Der beschriebenen Mischung wird weiterhin ein oberflächenaktives Additiv in einer Konzentration zwischen 5 und 40 Gewichtsprozent beigegeben, das Mehrfach-Verbindungen von Kohlenstoffatomen besitzt. Bei einer Verwendung eines solchen Dielektrikums können die vorher erwähnten Nachteile auftreten.

Eine weitere dielektrische Flüssigkeit, die wenigstens zu 30 Gewichtsprozenten aus aromatischen Verbindungen besteht, die mindestens zwei homozyklische, monozyklische C₆-Ringstrukturen enthalten, ist in der DE 26 32 180 A1 offenbart. Mit einem solchen Dielektrikum sollen die unterschiedlichen Anforderungen beim Schruppen einerseits und beim Schlichten andererseits jeweils zufriedenstellend erfüllt werden. Die Verwendung derartiger aromatischer Verbindungen in solcher Konzentration ist jedoch unter arbeitsmedizinischen Gesichtspunkten bedenklich. Der Einsatz eines solchen Dielektrikums erfordert daher entsprechende Sicherheitsaufwendungen, damit keine toxischen oder allergischen 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 aromatischen Verbindungen.

In der US 36 39 275 ist die Zugabe eines Additivs zu einem Dielektrikum auf Mineralölbasis beschrieben, wobei das Mineralöl zwischen 10 und 30 Gewichtsprozenten aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen enthält und das Additiv aus homozyklischen monozyklischen Kohlenwasserstoffen in Form von Phenolverbindungen sowie organischen Erdalkalisulfonaten besteht. Dieses Dielektrikum weist somit ebenfalls einen hohen Anteil aromatischer Verbindungen auf; außerdem ist der Zusatz der als Antioxidantien wirkenden Phenolverbindungen unter arbeitsmedizinischen Gesichtspunkten problematisch.

Eine Verbesserung der Eigenschaften des Dielektrikums wird in der US 36 48 013 im Zusatz eines Alkylsalicylsäure-Chromsalzes sowie eines Erdalkalisalzes bestimmter Dialkylsulfosuccinate in einer Konzentration von jeweils 1 bis 10 Gewichtsprozenten zwecks Leitfähigkeitsverbesserung gesehen. Bei dem Alkylsalicylsäure- Chromsalz handelt es sich um eine monocyclische aromatische Verbindung mit einem toxisch wirkenden Schwermetall, auch dies ist aus heutiger Sicht unter arbeitsmedizinischen Gesichtspunkten problematisch.

Das Beigeben eines Additivs zu einem Dielektrikum auf Silikonöl- oder Kohlenwasserstoffbasis ist auch aus der US 37 08 422 bekannt. Dort wird das Beigeben aliphatischer Kohlenwasserstoffamine 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 Verfahrensablauf erreicht wird und insbesondere eine hohe Abtragleistung bei gleichzeitig geringem Arbeitselektrodenverschleiß erzielbar ist und die gleichzeitig unter arbeitsmedizinischen Gesichtspunkten vergleichsweise unbedenklich einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine dielektrische Flüssigkeit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Da sie im wesentlichen aus einem Wasser-Polyolgemisch oder aber aus gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffverbindungen besteht, die sowohl naphtenischer, n-paraffinischer oder iso-paraffinischer Struktur sein oder auch aus einer Mischung derselben bestehen können, treten keine hohen Konzentrationen aromatischer Verbindungen auf. Es hat sich gleichzeitig gezeigt, daß das Beigeben des Additivs mit gegenüber gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen 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 Verbesserung der Metallabtragsrate oder zur Verminderung des Werkstückelektrodenverschleißes. 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 Dipolen als die aliphatischen Kohlenwasserstoffe werden, in das Dielektrikum chemische Satellitenelektroden einzubringen. Beim Anlegen der Spannung richten sich diese chemischen Satellitenelektroden entlang der Feldlinien des elektrischen Feldes aus und beeinflussen die Funkenentladung in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise. In dieser Fig. 1 ist mit einer durchgezogenen Linie jeweils der Spannungsverlauf (U) bzw. Stromverlauf (I) bei Einsatz eines herkömmlichen Dielektrikums und mit unterbrochenen 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 Dielektrikum bezeichnet.

1. Es entstehen in der dielektrischen Flüssigkeit entlang der chemischen Satellitenelektroden Kanäle mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit. Die für den Funkendurchschlag erforderliche 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 deut lich, daß der Kurvenverlauf (1), der dem Verhalten eines her kömmlichen Dielektrikums entspricht, unterhalb der Kurve (2) liegt, die das Verhalten der Abtragsrate (V_W) zum Arbeitsstrom (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 po lierte Werkstückoberflächen mit Oberflächenrauheiten von weni ger 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 aliphati schen Kohlenwasserstoffen ohne den erfindungsgemäßen Zusatz eines Additivs nicht erreichbar.

Als weiteres Verdienst der Erfindung ist hervorzuheben, daß er kannt 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 me tallischen, d. h. elektrisch leitfähigen, Schmutzpartikel auf grund elektrischer Abstoßungskräfte bewirken.

Die Erfindung wird am Beispiel eines Additivs nachfolgend kurz erläutert.

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 ist ein Anthrachinon-Derivat. Diese Substanz ist in der verwendeten Menge unter den Gesichtspunkten der Betriebssicherheit und der Arbeitshygiene unbedenklich.

Folgende Erodierergebnisse wurden bei Versuchen auf einer kom merziellen Funkenerosionsmaschine 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.

Es ist anzumerken, daß die erfindungsgemäße dielektrische Flüs sigkeit für alle in Funkenerosionsanlagen gebräuchlichen Fil terelemente geeignet ist und aufgrund ihrer Zusammensetzung nicht als brennbare Flüssigkeit einzustufen ist und kein Ge fahrgut darstellt.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Erfindung durch die Zugabe eines Additivs hoher Polarisierbarkeit in geringer Kon zentration als gezielte Verunreinigung eines Dielektrikums auf Wasserbasis oder auf Basis gesättigter aliphatischer Kohlenwas serstoffe eine wesentliche Verbesserung der funkenerosiven Ei genschaften hervorruft, was vor allem auf den Effekt der Bil dung von chemischen Satellitenelektroden durch die hochpolari sierbaren Additivmoleküle zurückgeführt wird. Bei sonst glei chen Prozeßparametern steigt beim Schruppen die Abtragsleistung beträchtlich an, eine weitere Steigerung ist dadurch zu erwart en, daß kleinere Impulspausen zwischen den Funkenentladungen aufgrund des schnelleren Anstiegs der Zündspannung möglich wer den. Unter umgekehrter Elektrodenpolung lassen sich in kürze ster Zeit hervorragende Polierergebnisse erreichen.

Claims

1. Dielektrische Flüssigkeit für die Metallbearbeitung durch Funkenerosion, welche gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe mit einem Anteil an aromatischen Kohlenwasserstoffen kleiner als ein Gewichtsprozent enthält und der ein Additiv beigegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Additiv organische Substanzen aus der Gruppe der Anthrachinon-Derivate in einer Konzentration von maximal einem Gewichtsprozent beigegeben sind.

2. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Additiv der im Teil I des Colour-Index mit Solvent Green 5 bezeichnete Farbstoff verwendet wird.