DE60105410T2

DE60105410T2 - Drahtelektrode zum funkenerosiven schneiden

Info

Publication number: DE60105410T2
Application number: DE60105410T
Authority: DE
Inventors: Danny Gonnissen; Wim Van Vooren
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: EP1283757A1; US6875943B2; US20040089636A1; DE60105410D1; EP1283757B1; WO2001089750A1; PT1283757E; ATE275457T1; AU2001273949A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode zum funkenerosiven Schneiden.
Stand der Technik
Das Verfahren des funkenerosiven Schneidens (EDM) ist gut bekannt. Es ist ein Verfahren, um leitfähige Materialien mit einem Elektrodendraht zu schneiden, der einer programmierten Bahn folgt.
Eine Elektrode für EDM muß einer Reihe von Erfordernissen entsprechen. In erster Linie ist eine gute Schneidleistung, d.h. eine hohe Entfernungsrate, eine gute Oberflächengüte und eine hohe Präzision, erforderlich.
Des weiteren ist eine gute Führbarkeit erwünscht, um mit einem automatischen System arbeiten zu können. Die Bedingungen für das Schneiden und die Bahn, an der entlang das Werkstück geschnitten wird, werden im Speicher einer Steuerungsvorrichtung gespeichert. Während des Schneidens wird, aufgrund der elektrischen Entladung, eine Kraft mit einer Orientierung, die der Richtung des fortschreitenden Schneidens entgegengesetzt ist, an den Schneidbereichen der Drahtelektrode erzeugt.
Als eine Folge davon erfährt der Draht in der Richtung, in der das Schneiden fortschreitet, eine Zeitverzögerung.
Elektrostatische und elektromagnetische Kräfte werden auch an der Drahtelektrode erzeugt.
Aufgrund all dieser Kräfte und aufgrund der Vibrationen des Drahts weicht die tatsächliche Position des Drahts von der programmierten Position ab. Dies führt zu Genauigkeits- und Präzisionsproblemen.
Dies ist besonders kritisch für das Schneiden von Ecken. Eine Abweichung von der programmierten Kontur an den Ecken hat zur Folge, daß runde Ecken anstelle der gewünschten scharfen Ecken erhalten werden.
Die Abweichung zwischen der programmierten und der tatsächlichen Kontur kann durch mechanische Belastung des Drahts reduziert werden.
Wenn ein hoher Genauigkeits- und Präzisionsgrad angestrebt wird, ist die Verwendung von Drähten mit einem kleinen Durchmesser erwünscht.
Da jedoch die herkömmlichen feineren Drähte, wie beispielsweise Messingdrähte, nur in begrenztem Umfang mechanisch belastet werden können, ist es schwierig, einen hohen Genauigkeits- und Präzisionsgrad zu erreichen.
Daher werden zum Beispiel flache Mo- oder W-Drähte für hochpräzises Schneiden verwendet. Diese Drähte besitzen eine ziemlich hohe Zugfestigkeit (>1900 MPa), haben jedoch den Nachteil, daß sie teuer sind.
Des weiteren haben sie, da sie eine hohe Schmelztemperatur besitzen, einen geringen Dampfdruck mit schlechter Bindefähigkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine EDM-Drahtelektrode mit einer hohen Zugfestigkeit bereitzustellen.
Es ist auch eine Aufgabe, eine EDM-Drahtelektrode bereitzustellen, mit der eine gewünschte Kontur mit hoher Präzision und hoher Genauigkeit geschnitten und gleichzeitig eine hohe Schneidgeschwindigkeit aufrechterhalten werden kann.
Es ist eine andere Aufgabe, eine EDM-Drahtelektrode bereitzustellen, die mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Elektrode zum funkenerosiven Schneiden bereitgestellt.
Die Elektrode besteht aus einem hochfesten Perlitstahldraht mit einem Durchmesser von 0,35 mm oder weniger.
Der Stahldraht ist ein Stahldraht mit einem hohen Kohlenstoffgehalt, der im Bereich zwischen 0,6 und 1,2% liegt. Der Kohlenstoffgehalt beträgt vorzugsweise mehr als 0,7%.
Der Draht hat eine Zugfestigkeit von mehr als 3000 N/mm², beispielsweise 3500 N/mm² oder 4000 N/mm².
Der Draht ist mit einer kupferfreien Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung versehen.
In der Schicht der Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung befinden sich möglicherweise geringe Kupferspuren.
Das Perlitgefüge wird dadurch erhalten, daß der Stahl auf eine hohe Temperatur (900 – 1000°C), bei der eine Kohlenstoffauflösung und Austenitbildung stattfinden, erwärmt und anschließend bei einer Temperatur zwischen 500 und 700°C in ein Abschrecktransformationsbad eingetaucht wird, um Austenit in einem Perlitgefüge mit der gewünschten Lamellenfeinheit zu zersetzen.
Der so erhaltene patentierte Stahl läßt sich kaltverformen; er kann beispielsweise gezogen oder rundgebogen oder flachgewalzt werden.
Der Draht kann einen kreisförmigen oder rechtwinkligen Querschnitt haben.
Alternativ kann ein Stahlstreifen verwendet werden.
Wenn Drähte mit einem kreisförmigen Querschnitt verwendet werden, beträgt der Durchmesser vorzugsweise weniger als 0,35 mm und, besonders bevorzugt, weniger als 0,25 mm, beispielsweise 0,1, 0,07 oder 0,03 mm.
Als Flachdrähte können Drähte mit einer Dicke von weniger als 0,25 mm, beispielsweise 0,1 mm, 0,05 mm oder 0,02 mm, in Betracht kommen.
Der hochfeste Perlitstahlkern erfüllt die Festigkeitsfunktion, während die Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung die Wärmeabstrahlungs- und Schneidfunktion erfüllt.
Somit kann prinzipiell jede beliebige Beschichtungsmethode in Betracht kommen, mit der sich eine Beschichtungsschicht gemäß dieser Erfindung aufbringen läßt. Bevorzugte Methoden sind Elektrolyse-, Schmelztauch- und Plattierungsverfahren.
Das Aufbringen einer Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung mittels eines Schmelztauchverzinkungsbads hat zur Folge, daß eine Eisen/Zink-Legierungsschicht an der Oberfläche des Drahts erzeugt wird.
Für Dünnbeschichtungen wird eine Elektrolytbeschichtung bevorzugt.
Die Dicke der Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung muß so gewählt sein, daß genug Energie abgestrahlt wird, um eine thermische Belastung und damit einen Bruch des Stahldrahts zu vermeiden. Andererseits muß die Dicke so gewählt sein, daß der beschichtete Draht noch stark genug ist, um der aufgebrachten mechanischen Belastung widerstehen zu können, die benötigt wird, um die erforderliche Präzision zu erzielen. Die Dicke der Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 20 μm.
Für einen Draht mit einem Durchmesser von 0,10 mm liegt die Dicke der Beschichtung vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 μm und, besonders bevorzugt, zwischen 1 und 4 μm.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Zinklegierung um eine Zink/Aluminium-Legierung. Eine solche Zink/Aluminium-Legierung umfaßt vorzugsweise zwischen 2 und 10% Al. Zwischen 0,1 und 0,4% eines Seltenerdmetalls, wie beispielsweise La und/oder Ce, kann hinzugefügt werden.
Zwischen dem Stahl und der Zink- oder Zinklegierungsschicht kann eine Zwischenschicht vorgesehen sein.
Bei einer solchen Zwischenschicht kann es sich um eine Aluminium- oder eine Silberschicht handeln, oder sie kann Legierungen davon umfassen.
Durch Aufbringen einer solchen Zwischenschicht kann die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode verbessert werden. Die Aluminiumschicht kann beispielsweise durch Plattieren oder Schmelztauchen aufgebracht werden.
Eine Nickel- oder Nickellegierungsschicht kann auch als Zwischenschicht in Betracht kommen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Elektrode eine zusätzliche Schicht über der Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung.
Diese zusätzliche Schicht kann beispielsweise durch Aufbringen einer zusätzlichen Beschichtungsschicht, durch eine Wärmebehandlung oder durch ein Passivierungsverfahren erhalten werden.
Die Dicke der Beschichtungsschicht beträgt beispielsweise wenige Nanometer.
Beispiele einer zusätzlichen Beschichtungsschicht sind eine Graphitbeschichtungsschicht, eine Oxidbeschichtungsschicht, wie beispielsweise ZnO, Cr₂O₃, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, oder eine leitfähige Schicht, wie beispielsweise eine Ag-Schicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrode für funkenerosive Schneidanwendungen bereitgestellt.
Die Elektrode ist insbesondere für Anwendungen geeignet, die eine hohe Präzision und eine hohe Genauigkeit erfordern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung der Präzision und Genauigkeit des EDM-Verfahrens durch mechanisches Belasten einer Drahtelektrode, wie vorstehend beschrieben, bereitgestellt.
Dieses Verfahren hat einen positiven Einfluß auf die Schneidgeschwindigkeit.
Des weiteren kann ein mechanisches Belasten des Drahts auch einen positiven Einfluß auf die Oberflächengüte des geschnittenen Werkstücks haben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben; dabei sind:
1 eine Darstellung einer Ausführungsform eines runden EDM-Drahts;
2 eine Darstellung des zur Bewertung der Präzisionsleistung eines Drahts gemäß der Erfindung durchgeführten Tests;
3 eine Darstellung der Abweichungen von der programmierten Schneidbahn; und
4 eine Darstellung einer Ausführungsform eines flachen EDM-Drahts.
Beschreibung der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen
Wie aus 1 ersichtlich, umfaßt ein EDM-Draht 10 gemäß der vorliegenden Erfindung einen runden Stahldraht 12 mit einem Durchmesser von 0,10 mm. Der Draht hat ein Perlitgefüge und eine Zugfestigkeit von 4000 N/mm². Eine Zinkbeschichtung mit einer Dicke von 0,5 μm wird mittels Elektrolyse oder Schmelztauchen auf den Draht aufgebracht.
Der Draht zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit aus. Daher kann der EDM-Draht mechanisch sehr hoch belastet werden, ohne daß er bricht.
Durch höheres mechanisches Belasten des Drahts werden Präzisionsfehler aufgrund von am Draht erzeugten Kräften und aufgrund von Vibrationen des Drahts reduziert oder sogar ausgeschaltet.
Der EDM-Draht gemäß der Erfindung ist auch für konisches Schneiden geeignet.
Schneidwinkel von bis zu 28° können erzielt werden, ohne daß es zu einem Bruch des Elektrodendrahts kommt. Der Schneidwinkel ist als der Winkel zwischen der horizontalen Ebene des Werkstücks und dem EDM-Draht definiert.
Die Präzisionsleistung des vorstehend beschriebenen Drahts wird durch Schneiden eines Werkstücks 20, wie in 2 dargestellt, bewertet. 2a zeigt den Querschnitt des geschnittenen Werkstücks. Die Schneidrichtung des EDM-Drahts 22 ist durch den Pfeil angegeben.
Die Schneidbahn umfaßt eine Ecke α von 60°.
2b zeigt das geschnittene Werkstück in der Draufsicht.
Die Präzision kann durch Messen der Abweichung von der gewünschten programmierten Bahn bewertet werden.
An der Drahtelektrode während des Schneidverfahrens erzeugte Kräfte haben zur Folge, daß Abweichungen von der programmierten Bahn beobachtet werden. Diese Abweichungen werden als Abweichungen erster Ordnung oder als Profilfehler bezeichnet.
Des weiteren bewirken Abweichungen zweiter Ordnung, auch als Drahtbahnfehler bezeichnet, eine von der Dicke t des Werkstücks abhängige Veränderung, d.h. eine Veränderung zwischen dem Zentrum und den Grenzen.
Diese Abweichungen zweiter Ordnung sind u.a. auf die Durchbiegung und die zeitliche Verzögerung des Drahts während des Schneidens zurückzuführen.
Die Schneidleistung des vorstehend beschriebenen Drahts wird bei einer mechanischen Belastung des Drahts von 0,2 kg und einer mechanischen Belastung des Drahts von 1 kg getestet.
Die Abweichung von der programmierten Bahn in Abhängigkeit von der Dicke t des Werkstücks ist für beide Fälle in 3 dargestellt.
In der Abszisse ist die Dicke des Werkstücks dargestellt, während die Abweichung von der gewünschten programmierten Bahn 32 in der Ordinate dargestellt ist. Die Kurve 34 zeigt die tatsächliche Bahn, der der Draht bei einer mechanischen Belastung von 0,2 kg folgt.
Die Differenz zwischen der gewünschten programmierten Bahn 32 und der erhaltenen Bahn 34 aufgrund von Abweichungen erster Ordnung ist mit "a" angegeben. Die Abweichungen zweiter Ordnung sind im Zentrum des Werkstücks am höchsten. Diese Abweichungen zweiter Ordnung im Zentrum des Werkstücks sind in 3 mit "b" angegeben.
Die Kurve 36 zeigt die Bahn, der der Draht bei einer mechanischen Belastung von 1 kg folgt. Die Abweichungen erster Ordnung werden durch eine höhere mechanische Belastung ausgeschaltet, und die mit "d" angegebenen Abweichungen zweiter Ordnung werden um 50% reduziert.
Aus 3 ist erkennbar, daß eine höhere mechanische Belastung des Drahts sowohl auf die Abweichungen erster Ordnung als auch auf diejenigen zweiter Ordnung einen positiven Einfluß und folglich eine höhere Präzision und eine höhere Genauigkeit zur Folge hat.
Es ist beobachtet worden, daß eine höhere mechanische Belastung des Drahts auch einen positiven Einfluß auf die Schneidgeschwindigkeit haben kann: Die Schneidgeschwindigkeit konnte durch Erhöhung der mechanischen Belastung des Drahts um 10% verbessert werden.
Des weiteren kann. die Oberflächengüte der Oberfläche durch eine höhere mechanische Belastung aufgrund eines stabileren Verfahrens verbessert werden.
In einer anderen Ausführungsform, wie in 4 dargestellt, hat ein EDM-Draht 40 einen flachen oder rechtwinkligen Querschnitt.
Diese Drahtausführung läßt es zu, eine hohe Präzision mit hohen Schneidgeschwindigkeiten zu kombinieren: Hohe Schneidgeschwindigkeiten werden wegen der Wärmeübertragung durch die große "flache" Seite und eine hohe Präzision durch Schneiden mit der "dünnen" Seite erhalten.
Flache Drähte haben des weiteren den Vorteil, daß sie sehr gerade ausgeführt sein können, so daß das (automatische) Führen erleichtert wird.
Der flache Draht 42 hat eine Breite von 0,10 mm und eine Dicke von 0,02 mm. Eine dünne Al-Beschichtung 44 wird durch Plattieren oder Schmelztauchen auf den Draht aufgebracht. In einem nachfolgenden Schritt wird der Draht mit einer Zn-Legierungsschicht 46 mit einer Dicke von 0,5 μm beschichtet.

Claims

Elektrode zum funkenerosiven Schneiden, wobei die Elektrode einen Draht aus hochfestem Perlitstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,6%, mit einem Durchmesser von 0,35 mm oder weniger und mit einer Zugfestigkeit von mehr als 3000 N/mm² umfaßt, wobei der Stahldraht mit einer kupferfreien Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung beschichtet ist.
Elektrode nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, bei der der Draht einen Durchmesser von weniger als 0,10 mm hat.
Elektrode nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, bei der der Draht einen flachen oder rechtwinkligen Querschnitt hat.
Elektrode nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, bei der eine Eisen/Zink-Legierungsschicht an der Oberfläche des Stahldrahts vorgesehen ist.
Elektrode nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, bei der die Zinklegierung eine Zink/Aluminium-Legierung ist.
Elektrode nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, wobei die Elektrode zwischen dem Stahldraht und der Zink- oder Zinklegierungsschicht eine Zwischenschicht aus Aluminium, Silber oder Nickel oder aus Legierungen davon hat.
Elektrode nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, wobei die Elektrode über der kupferfreien Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung eine zusätzliche Schicht umfaßt.
Verwendung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für funkenerosive Schneidanwendungen.
Verwendung einer Elektrode nach Anspruch 8 für hochpräzise Leistungsanwendungen.
Verfahren zur Verbesserung der Präzision und Genauigkeit des funkenerosiven Schneidverfahrens durch mechanisches Belasten der Drahtelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7.