WO2014198254A1 - Drahtelektrode zum funkenerosiven schneiden von gegenständen - Google Patents

Drahtelektrode zum funkenerosiven schneiden von gegenständen Download PDF

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alloy layer
steel core
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Sven KOBÖCKEN
André FRANC
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Heinrich Stamm Gmbh
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    • C25D7/00—Electroplating characterised by the article coated
    • C25D7/06—Wires; Strips; Foils
    • C25D7/0607—Wires

Definitions

  • the invention relates to a wire electrode for spark erosion with an overall diameter between 0.05 and 0.4 mm, an inner steel core made of steel and an outer shell surrounding the steel core.
  • the invention further relates to a method for producing such a wire electrode.
  • a wire electrode of the type mentioned is already known from DE 196 35 775 A1.
  • the wire electrode disclosed therein consists of a steel core surrounded by a layer of brass.
  • the brass forms a so-called alpha phase.
  • the alpha brass in turn is surrounded by an outer layer made of beta brass.
  • US 2004 089 636 discloses a wire electrode having a steel core configured as a fine wire and surrounded by a sheath layer of zinc or a zinc-aluminum alloy.
  • EP 0 794 026 describes a wire electrode with a steel core and a jacket of copper, nickel or zinc surrounding it.
  • a wire electrode with a metallic core which has an outer cladding layer of an iron-zinc alloy.
  • the iron-zinc alloy was broken by the final pulling of the wire electrode, so that the jacket has cracks.
  • the core consists of carbon steel or an alloyed steel.
  • the proposed steel core aims at a high tensile strength, so that high mechanical stresses in the processing zone can be safely taken.
  • the highest possible tensile stress of the wire would be advantageous because a more tensioned wire is less susceptible to interference when machining a workpiece and less prone to deviate from its desired positioning. Therefore, the manufacturers of such wires have sought to maximize the tensile strength of the steel from which the core of the proposed wire electrodes should be made.
  • the diameter of wire electrodes having a steel core should vary from requirement to requirement.
  • Thinner wires, the size of a hair are of course sufficiently flexible. However, they must be given a high breaking stress in order to avoid tearing when machining a workpiece.
  • Thicker wire electrodes, however, are more resistant to breakage. However, they often have too poor flexibility and ductility to meet the demands of the unwinding, automatic threading, guiding and hacking systems.
  • a steel core also has poor electrical conductivity. This can lead to undesirable local heating, so that the wire electrode heated in this way can rupture.
  • the object of the invention is to provide a wire electrode of the type mentioned, which is inexpensive and at the same time meets the mechanical and electrical requirements imposed on them.
  • the invention solves this problem in that the jacket has an iron-zinc alloy layer and the thickness of the iron-zinc alloy layer is at its thinnest point greater than 5% of the total diameter and at its thickest point less than 25% of the total diameter.
  • a wire electrode is provided with a steel core which imposes on the wire electrode primarily the mechanical properties required for spark erosion.
  • the electrical properties also required for this in the form of a sufficient electrical conductivity of the wire electrode are essentially provided by the shell with its iron-zinc alloy layer having a thickness required for this between 5% and 25% based on the total diameter of the wire electrode.
  • minimum and maximum thickness of the iron-zinc alloy layer provides an optimal compromise for the entire diameter range of the wire electrode. In this way, the two above-mentioned properties are provided in a sufficient amount for the spark erosion.
  • the wire electrode according to the invention has a conductivity which approximates that of a brass wire.
  • the thickness of the iron-zinc alloy layer is about 5% of the wire diameter, it is necessary to set the machining parameters of the EDM machine so that the risk of wire breakage is reduced. However, this parameter changeover can affect the processing performance.
  • the iron-zinc alloy layer of the wire electrode according to the invention ensures that a sufficient volume of iron and zinc is introduced into the processing zone so that these metals, which are absolutely essential for processing, are not prematurely consumed during use.
  • thickness of a layer is meant the simple thickness of said layer on one side of the wire electrode.
  • the wire electrode according to the invention advantageously forms a current path in the jacket which is continuously conductive in the longitudinal direction of the wire electrode.
  • This is the iron-zinc alloy layer consistently electrically conductive and free of interruptions.
  • This electrically continuous training ensures that the iron-zinc alloy layer with the required dimensioning forms the current path, which has a low electrical resistance, in the cladding throughout.
  • the iron-zinc alloy layer is basically arbitrary how the electrical continuity of the layer is brought about.
  • the iron-zinc alloy layer may have a plurality of alloy phases which, in a cross-sectional view, form concentric rings around the steel core.
  • the iron-zinc alloy layer may also consist of three phases, two of which are predominant.
  • the iron-zinc alloy layer forms a dense packing of layer elements, wherein the layer elements contact each other.
  • the contact of the layer elements is necessary, since otherwise created no conductive connection between the layer elements and the current could not flow unhindered over the iron-zinc alloy.
  • the iron-zinc alloy layer ensures that the current density during operation of the wire electrode in the cladding does not become zero.
  • layer elements is intended to include arbitrarily shaped alloy sections, for example, films, flakes, fins, grains or lumps or the like. Layer elements can be detected, for example, with the aid of a microscope, wherein the microscope can be preceded by a suitable chemical treatment. In other words, the layer elements form a dense texture of films, flakes, fins, grains or lumps, which consist for example of different alloy phases.
  • the sealed package is advantageously a gas-tight package.
  • Both a continuous formation of the iron-zinc alloy layer and a gastight bond of contacting layer elements improves the protection of the steel core from undesirable oxidation processes. Because the iron As the core is an easily oxidizable metal, a poorly supported and insufficiently protected wire can degenerate and become unusable. Oxides that may form on the windings of a wire coil may have multiple. have undesirable effects. On the one hand, the diameter of the wire is increased unevenly and in an uncontrollable manner with malfunctions of the unwinding of the spark erosion machine in the wake. In addition, the machining accuracy is impaired because the wire windings can stick together, thereby obstructing the unwinding of the wire electrode from the coil on which the wire electrode is wound.
  • the wire oxidized on its surface also causes erosion discharges, which may damage or even destroy the feeding devices of the stream into the processing wire.
  • the oxidation protection of the steel core is therefore essential and requires the thickness of the iron-zinc alloy layer defined according to the invention.
  • a locally torn core coating proposed in the prior art would expose the core to the outside, so that the rust formation described above can occur.
  • the mechanical properties of the wire must be adapted exactly to the respective requirements. Not all applications can use the same wire electrode. Rather, it is necessary to select the properties of the wire electrode depending on the particular requirement. This applies both to the dimensioning of the wire electrode and to its metallurgical composition, wherein these factors should be coordinated with one another. For example, in the case of wire electrodes having a large overall diameter, it is necessary to lower the rigidity of the wire electrode. In the case of wire electrodes with a small overall diameter, on the other hand, the breaking strength should be increased.
  • the total diameter can be divided into two categories wherein wire electrodes of the first category have an overall diameter and the wire electrodes of the second category have an overall diameter less than or equal to 0.2 mm.
  • the total diameter is also smaller than 0.20 mm, wherein the proportion of iron in the iron-zinc alloy layer is at most 50 wt .-%. This may apply to all phases of the iron-zinc alloy in the iron-zinc alloy layer.
  • the iron-zinc alloy layer may also contain, in addition to iron and zinc, impurities or else specially introduced additional materials. The proportion of these latter metals must be carefully weighed to release the expected effect during processing.
  • the zinc content in the iron-zinc alloy layer to the outside, so to the side facing away from the steel core side of the iron-zinc alloy layer is always larger.
  • the zinc content in the iron-zinc alloy layer is greater than or equal to 60 wt .-%. With a total diameter of less than 0.20 mm, it is also advantageous if the steel of the steel core contains between 0.2 and 0.6% by weight of carbon.
  • the steel core has a breaking strength between 1000 and 3000 N / mm 2 .
  • the steel of the steel core advantageously contains at most 0.2% by weight of carbon.
  • the tensile strength of a wire electrode having a total diameter greater than or equal to 0.20 mm is between 300 and 1100 N / mm 2 .
  • the steel core is designed so that it is plastically deformable in a plastic region under the action of a tensile force and in its plastic region by at least 10% extendable.
  • the wire is subjected to an increasing tensile force, there is a range of tensile forces in which the wire electrode elastically deforms. With elastic deformation, the wire electrode is lengthened, reducing the overall diameter. When the traction force is subsequently reduced to zero, the wire electrode returns to its original shape and again has the original overall diameter. However, if the tensile force exceeds the maximum elastic deformation, plastic deformation of the wire electrode occurs. This deformation is irreversible. If the tensile force is reduced to zero, the wire electrode remains deformed.
  • the plastic area is thus the range of tensile forces, ranging from said threshold to the tensile force at which the wire electrode ruptures. If the wire electrode can be extended in its plastic state by up to 10%, the total diameter of the wire electrode after tearing at its free end is so small that the wire electrode can be easily threaded.
  • the automatic threading is an important requirement in many commercially available erosion machines, which is placed on the usable wire electrodes.
  • the thus-formed wire electrode according to the invention can therefore be used without problems in conventional unwinding, automatic threading, guiding and chopping devices. There are a variety of ways in which the ten percent extensibility of the wire electrode in its plastic region can be achieved.
  • the steel has an electrical conductivity which is often insufficient to meet the requirements.
  • the cheap steel of the steel core is not too heavily loaded with current, since the main current path extends in the jacket of the wire electrode, a much better electrical conductor.
  • Common frequencies of erosion discharges are in the range of 50 kHz. Thanks to the so-called skin effect, this leads to an increase in the current density at the outer edge of the wire electrode, whereby the transfer of the current through the jacket is still supported.
  • the current flowing in the core is shifted in the vicinity of the interface with the cladding and thus into the iron-zinc alloy layer.
  • the steel of the steel core is therefore advantageously designed so that this effect favors and the current is thus almost completely passed over the jacket.
  • the steel core is therefore preferably made of a steel having a magnetic permeability ⁇ ⁇ between 5000 and 10,000.
  • Such a preferred steel of the steel core in the invention contains at most 6 wt .-% of silicon.
  • the steel core has a specific electrical resistance below 15 ⁇ .
  • the shell has an outer layer of pure zinc, which surrounds the iron-zinc alloy layer.
  • Zinc has interesting properties for fine machining and provides improved electrical contact. Furthermore, the presence of zinc is very important for metrological reasons.
  • the iron-zinc alloy layer contains aluminum and / or magnesium, wherein the proportion of aluminum is less than 8 wt .-% and the proportion of magnesium is less than 5% by weight.
  • the iron-zinc alloy layer thus formed suitably contains a diffused iron component near the steel core.
  • the iron has diffused into the cladding during diffusion by heat treatment from the steel core.
  • a continuous iron-zinc alloy layer made of iron and zinc is applied to a steel core made of steel whose diameter is equal to that of FIG Total diameter of the wire electrode minus the desired thickness d of the alloy layer corresponds.
  • the wire electrode is drawn to its final diameter, the total diameter being reduced as little as possible, for example, by at most 0.01 mm in order to avoid the tearing of the alloy layer.
  • the above-mentioned advantages can be obtained only when the diameter of the steel core initially used in manufacturing is close to the final diameter of the finished wire electrode.
  • the tolerances to be observed here are, for example, in the range of +0.002 mm to -0.004 mm.
  • the drawing process which follows, for example, the deposition of the iron-zinc alloy layer on the steel core, is intended to ensure the calibration and not reduce the overall diameter below a predetermined threshold, otherwise the iron-zinc alloy layer would be broken and the steel core would be exposed. This would not only adversely affect the conductivity of the wire electrode, but also lead to an undesirable oxidation of the iron of the exposed steel core.
  • the overall diameter of the wire electrode is appropriately reduced. On In this way, the continuity of the current-conducting layer can be preserved, so that the electrical resistance of the wire electrode does not increase.
  • a zinc layer is first applied to the steel core.
  • the thus coated wire can be annealed, whereby iron particles diffuse into the zinc layer, so that the desired iron-zinc alloy layer is formed.
  • the wire electrode can be pulled in compliance with the above precautions yet on the final diameter so the total diameter of the finished wire electrode.
  • the structure of the applied zinc layer and thus the structure of the later iron-zinc alloy layer depends on the deposition step selected. If the zinc is applied to the steel core by electrolytic means, it is deposited in solid form. Thermal diffusion is then imperative to drive the iron from the core into the cladding and thus bring about the iron-zinc alloy. For this purpose, the wire is heated, forming an alloy of several concentric phases.
  • the zinc-rich phases are more ductile than the low-zinc phases of the iron-zinc alloy layer. They are located on the outer edge of the iron-zinc alloy layer facing away from the steel core.
  • the other brittle iron-zinc alloy phase is formed on the inner edge adjacent to the steel core.
  • This very favorable structure for a spark erosion wire therefore allows the brittle phase to be covered with a ductile phase, so that the wire electrode can be drawn within narrow limits without the iron-zinc alloy layer breaking up. Furthermore, an advantageous zinc-rich layer is generated in the periphery. In addition, a likewise advantageous polyvalent wire electrode is provided.
  • the Deposition of the outer layer in liquid form is carried out by immersing the steel wire in liquid zinc or in a liquid iron-zinc mixture.
  • the formation of the phases is more complicated here and depends on the type and temperature of the bath.
  • a single immersion step may thus take the place of electrolytic deposition and subsequent thermal diffusion.
  • a dipping bath also allows to directly form a precise metallurgical phase and / or to insert other metals such as aluminum, magnesium or nickel into the iron-zinc alloy layer.
  • Aluminum and magnesium can not be applied electrolytically.
  • FIGS. 1-3 illustrate different exemplary embodiments of the wire electrode according to the invention in a schematic cross-sectional view
  • Figure 4 is a greatly enlarged schematic view of a
  • Iron-zinc alloy layer with dense layer elements which are designed as lamellae
  • Figure 5 is a greatly enlarged schematic view of a
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the wire electrode 1 according to the invention in a schematic cross-sectional view.
  • the wire electrode 1 is formed in a substantially circular cross-section, wherein it extends with a more or less uniform overall diameter D in a longitudinal direction.
  • the total diameter D of the wire electrode is illustrated in FIG.
  • the wire electrode 1 has a central steel core 2, which consists of a suitable steel.
  • the steel core 2 is enclosed by a jacket 3, which consists exclusively of an iron-zinc alloy layer 4 in the embodiment shown.
  • the wire electrode 1 shown in FIG. 1 has a total diameter D of 0.1 mm.
  • the thickness d of the iron-zinc alloy layer 4 is 12 ⁇ .
  • the iron content of the iron-zinc alloy layer 4 is between 25% and 29% by weight.
  • the carbon content of the steel core 2 is 0.5 wt .-%
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the wire electrode 1 according to the invention, wherein, however, the jacket 3 comprises, in addition to an iron-zinc alloy layer 4, a zinc layer 5 which encloses the iron-zinc alloy layer 4 on the outside.
  • the jacket 3 comprises, in addition to an iron-zinc alloy layer 4, a zinc layer 5 which encloses the iron-zinc alloy layer 4 on the outside.
  • an outer zinc-rich layer is provided, which is advantageous for the finishing.
  • a polyvalent wire is created.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the wire electrode 1 according to the invention in an enlarged cross-sectional view, in which only part of the wire electrode 1 can be seen.
  • the wire electrode 1 again has a steel core 2, which is surrounded by a jacket 3 made of an iron-zinc alloy layer 4.
  • the iron-zinc alloy layer 4 has a plurality of concentrically arranged annular phase layers 5, 6 and 7, wherein the phase layer 5 is a ⁇ -phase, wherein the phase layer 6 is a ⁇ -phase and the phase layer 7 is a ⁇ -phase.
  • the zinc content of the iron-zinc alloy layer 4 thus increases progressively from the phase layer 5 toward the phase layer 7.
  • the phase layers 6 and 7 are therefore more ductile than the more internal, more brittle phase layer 5. This arrangement significantly reduces the risk of the iron-zinc alloy layer 4 breaking up.
  • Figures 4 and 5 each show a further embodiment of the wire electrode 1 according to the invention, which is shown again in a partial cross-sectional view.
  • the structure of the iron-zinc alloy layer 4 can be seen, which consists both in the wire electrode 1 according to Figure 4 and in the wire electrode 1 according to Figure 5 from a dense packing of layer elements 8, which form mutually different alloy phases.
  • the layer elements 8 contact each other, so that a continuously conductive current path is formed in the iron-zinc alloy layer 4.
  • the zinc content of the layer elements 8 can vary from layer element 8 to layer element 8 and is in the embodiment shown in Figure 4 between 65 and 75 wt .-%, whereby it outwardly to the side facing away from the steel core 2 side of the shell 3 increases.
  • the zinc content does not increase progressively or, in other words, linearly outward. Rather, the proportion of zinc here also varies abruptly and is higher in phase, the further away the said phase is from the core.
  • the layer elements 8 are designed as lamellae arranged in an interlaced manner.
  • FIG. 5 shows layer elements 8 which are designed as lumps or blocks lying next to one another.
  • the layer elements 8 are packed so densely that the iron-zinc alloy layer 4 forms a gas-tight barrier around the steel core 2, the iron components of which are thus protected from the aggressive atmospheric oxygen.
  • the total diameter D of wire electrodes 1 used in practice in spark erosion varies between 0.05 mm and 0.4 mm.
  • the method according to the invention used to produce the wire electrode according to the invention depends on the ductility of the steel core and the shell applied to it. However, if the ductility of the coated steel core is insufficient, either a subsequent drawing process should be avoided or it should be limited to a small extent.
  • a certain plastic deformation of the wire electrode according to the invention is indispensable in the field of spark erosion in view of the requirements prevailing there, for example in automatic threading.
  • some machines in which the wire electrode according to the invention is to be used equipped with a Ausglühvorraum that threading the Wire electrode simplified. In a low-carbon steel, a sufficient plastic deformation of the wire electrode is achieved by an increase in temperature.
  • the plasticity is useful for threading: when preparing the wire electrode, it allows the wire to constrict so that it becomes sharp and can be threaded through the guides of the top and bottom heads of the EDM machine.
  • the increase in the carbon concentration in the steel of the steel core increases its modulus of elasticity, which can be varied in this way between 8000 kg / mm 2 and 16000 kg / mm 2 .
  • the minimum bending radius for example 50 mm, can be doubled by increasing the carbon concentration.
  • a total diameter over 0.25 mm and a breaking strength of about 2000 N / mm 2 are probably unsuitable for these reasons for the EDM machines.
  • These stiff wires can be difficult to perform in the currently used machines and even damage them.
  • most machines used in the field are usually equipped with a hacker located behind the processing zone. The maximum shearing force of these hackers is limited.
  • Wire electrodes with a total diameter above and a carbon concentration above 0.2 wt .-% are hacked insufficiently or not at all, with damage to the chopping device can not be excluded.
  • the previously known wire electrodes with a diameter of 0.25 mm and a breaking strength of more than 1300 N / mm 2 are generally unsuitable for the chopping and transporting devices of most EDM machines.
  • the thickness of the shell can be limited, as far as this one against the core having reduced mechanical strength.
  • the core is mainly responsible for the mechanical strength of the wire electrode. Its diameter must therefore be so large that sufficient mechanical strength is ensured.
  • the steel core is a poor conductor of current
  • the jacket must have a minimum thickness in order to also provide global conductivity during the machining of workpieces and the associated wear of the jacket.
  • the magnetic properties of the respective steel must also be considered. The current flowing through the steel core can generate a magnetic field which is detrimental to the cutting process, resulting in a curvature of the wire electrode in the processing zone, thereby deteriorating the cutting accuracy.
  • the steel of the wire electrode according to the invention has the lowest possible remanence.
  • Low remanence steels are firstly low carbon steels, but at the same time have the required mechanical strength. This can be achieved by adjusting the silicon content in the steel core.
  • steels which are used for the production of transformer plates are also outstandingly suitable for the production of the steel core.
  • Figures 6 to 9 allow in the invention, a simple determination of the mechanical strength of the steel core and the total electrical conductivity of the wire electrode for a given total diameter.
  • wire electrodes are shown with an overall diameter of 0.1 mm, 0.2 mm, 0.25 mm and 0.3 mm, respectively.
  • the thickness of the iron-zinc alloy layer in micrometers is removed.
  • the ordinate represents both the electrical power loss in watts / cm as well Breaking stress of the wire in N, where the same number scaling applies to both sizes.
  • the various electrical powers were obtained with an RMS current of 10 A for a wire diameter of 0.1 mm, 35 A for a wire diameter of 0.2 mm, 60 A for a wire diameter of 0.25 mm and 90 A for a wire diameter of 0 , 3 mm corresponded.
  • This RMS current was generated by a series of electrical sawtooth pulses, the slope of the characteristic curve being above 300 A / s.
  • the specific electrical resistance of the cladding layer was 6 ⁇ * ⁇ and the core at 10 ⁇ * ⁇ .
  • the curve marked 1 in FIGS. 6 to 9 represents the electrical power loss in the steel core.
  • the respective curve 2 represents the electrical power loss in the cladding layer, curve 3 the total electrical power loss and curve 4 the breaking stress of the steel core.
  • the respective curve 5 represents the breaking stress of the covered wire electrode when the iron-zinc alloy layer is 50% worn (this corresponds to the usual wear of the wire during spark erosion).
  • the horizontal line 6 represents the maximum mechanical breaking stress to which the wire electrode with the given overall diameter is exposed in the usual machines.
  • the electrical power dissipation in the iron-zinc alloy layer is increased to approximately that of the steel core Near.
  • the mechanical strength is reduced. It is advisable that the mechanical strength does not exceed a threshold beyond which the wire electrode may break during the spark erosion process. This threshold value is reached at point B, in which the maximum breaking stress (curve 5) drops below the maximum tensile stress (curve 6) of the eroding machine.
  • the optimum layer thickness is therefore a value to the right of point A and to the left of point B.
  • the curve analysis shows that the iron-zinc alloy layer 4 must be between 5% and 25% of the total wire diameter. This makes it possible to produce a wide wire pallet according to the selected shell thickness, with certain wire electrodes (with a thin cladding layer) being better suited for finishing, and others (having a thicker shell layer) being more efficient for high speed machining or poor rinsing conditions.
  • the investigations carried out led to the conclusion that a simple iron wire without sheath allows only a very low processing speed, since during the cutting process redeposition originating from the cut workpiece originates and leads to high fracture risks. This behavior corresponds to that of a pure copper layer. A pure zinc sheath would not increase the cutting speed to a satisfactory level.
  • the thickness of the iron-zinc alloy layer is increased significantly and thus above the previously known level, it has surprisingly been found that the redepositions can be greatly reduced.
  • the iron-zinc alloy layer is completely different from the zinc-copper alloy layer. It allows to increase the material removal and to reduce the number of finishing passes, since there is no redeposition after the passage of the wire.
  • the thickness of the iron-zinc alloy layer must be significantly greater than was the case with previously known wire electrodes.

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Abstract

Um eine Drahtelektrode (1) für die Funkenerosion mit einem Gesamtdurchmesser (D) zwischen 0,05 und 0,4 mm, einem inneren aus Stahl bestehenden Stahlkern (2) und einem den Stahlkern (2) umgebenden äußeren Mantel (3), bereitzustellen, die kostengünstig ist und gleichzeitig die an sie gestellten mechanischen und elektrischen Anforderungen erfüllt, wird vorgeschlagen, dass der Mantel (3) eine Eisen-Zink-Legierungsschicht (4) aufweist und die Dicke (d) der Eisen-Zink-Legierungsschicht an ihrer dünnsten Stelle größer als 5 % des Gesamtdurchmessers (D) und an ihrer dicksten Stelle kleiner als 25 % des Gesamtdurchmessers (D) ist.

Description

Drahtelektrode zum funkenerosiven Schneiden von Gegenständen
Die Erfindung betrifft eine Drahtelektrode für die Funkenerosion mit einem Gesamtdurchmesser zwischen 0,05 und 0,4 mm, einem inneren aus Stahl bestehenden Stahlkern und einem den Stahlkern umgebenden äußeren Mantel.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Drahtelektrode.
Eine Drahtelektrode der eingangs genannten Art ist aus der DE 196 35 775 A1 bereits bekannt. Die dort offenbarte Drahtelektrode besteht aus einem Stahlkern, der von einer Messingschicht umgeben ist. Das Messing bildet eine so genannte alpha-Phase aus. Das alpha- Messing ist seinerseits von einer Außenschicht umgeben, die aus beta-Messing besteht.
Die US 2004 089 636 offenbart eine Drahtelektrode mit einem Stahlkern, der als feiner Draht ausgestaltet und von einer Mantelschicht aus Zink oder aus einer Zink-Aluminium-Legierung umgeben ist.
Die EP 0 794 026 beschreibt eine Drahtelektrode mit einem Stahlkern und einem diesen umschließenden Mantel aus Kupfer, Nickel oder Zink.
In der FR 2 936 727 ist eine Drahtelektrode mit einem metallischen Kern beschrieben, die eine äußere Mantelschicht aus einer Eisen- Zinklegierung aufweist. Die Eisen-Zinklegierung wurde durch das abschließende Ziehen der Drahtelektrode aufgebrochen, so dass der Mantel Risse aufweist.
Bei den in diesen Schutzrechten beschriebenen Drähten besteht der Kern aus Kohlenstoffstahl oder einem legierten Stahl. Der vorgeschlagene Stahlkern zielt auf eine hohe Zugfestigkeit ab, so dass auch hohe mechanische Spannungen in der Bearbeitungszone sicher aufgenommen werden können. In der Praxis wäre eine möglichst hohe Zugspannung des Drahtes vorteilhaft, da ein stärker gespannter Draht bei der Bearbeitung eines Werkstücks weniger Störanfällig ist und weniger dazu neigt, von seiner gewünschten Positionierung abzuweichen. Daher waren die Hersteller solcher Drähte bestrebt, die Zugfestigkeit des Stahls zu maximieren, aus dem der Kern der vorgeschlagenen Drahtelektroden gefertigt werden sollte.
Diesen vorgeschlagenen Drähte haftete jedoch folgender Nachteil an: Übliche Funkenerosionsmaschinen sind mit mechanischen Vorrichtungen für die Drahtabwicklung, den Drahtverlauf und die Drahtführung ausgerüstet, die mit einer Reihe von zerbrechlichen Kunststoff rollen und Transportriemen bestückt sind. Da diese Vorrichtungen für Drähte aus weicherem Messing ausgelegt wurden, würde der Einsatz von Stahldrähten zu deren vorzeitiger Abnutzung führen mit Ausfallzeiten und einem erhöhten Wartungsaufwand im Gefolge.
In der Praxis sollte der Durchmesser von Drahtelektroden, die einen Stahlkern aufweisen, von Anforderung zu Anforderung variieren können. Dünnere Drähte, in der Größe eines Haares, sind zwar von sich aus ausreichend biegsam. Ihnen muss jedoch eine hohe Bruchspannung aufgeprägt werden, um ein Zerreißen bei der Bearbeitung eines Werkstücks zu vermeiden. Dickere Drahtelektroden sind hingegen gegenüber Brüchen widerstandsfähiger. Sie weisen jedoch oftmals eine zu schlechte Flexibilität und Dehnbarkeit auf, um den Anforderungen der Abwicklungs-, automatische Einfädel-, Führungs- und Hacksysteme gerecht zu werden.
Ein Stahlkern weist ferner eine schlechte elektrische Leitfähigkeit auf. Dies kann zu unerwünschten lokalen Erwärmungen führen, so dass die auf diese Weise aufgeheizte Drahtelektrode zerreißen kann.
Bekannte aus Messing bestehende Drahtelektroden verfügen an ihrer dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandten Oberfläche über einen wirksamen Zinkanteil. Die sofortige Verdampfung und Oxidation des Zinks verhindert, dass geschmolzene Metallteilchen des Werkstücks sich in dem Bearbeitungsschlitz auf der Rückseite der Drahtelektrode ablagern. Eine solche Ablagerung würde zu ungewollten Drahtbrüchen führen und die Bearbeitungsleistung der Drahtelektrode deutlich senken. Es ist also vorteilhafter, Drähte zu verwenden, dessen Bedeckungsmaterialen bei der Bearbeitung sofort oxidieren. Unter diesem Gesichtspunkt ist das im Messing enthaltene Kupfer eine schlechte Wahl trotz der Vorteile, die mit seiner elektrischen Leitfähigkeit verbunden sind. Das mit Zink legierte Eisen wurde wegen seiner Oxidierbarkeit als guter Ersatz für Kupfer betrachtet. Die bislang vorgeschlagenen Drahtelektroden weisen jedoch Mantelschichten auf, die durch einen vorzeitigen Verscheiß gekennzeichnet waren, so dass sich die Wirkung der Legierung dieser Mantelschichten nicht entfalten konnte. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drahtelektrode der eingangs genannten Art bereitzustellen, die kostengünstig ist und gleichzeitig die an sie gestellten mechanischen und elektrischen Anforderungen erfüllt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Mantel eine Eisen-Zink-Legierungsschicht aufweist und die Dicke der Eisen-Zink- Legierungsschicht an ihrer dünnsten Stelle größer als 5 % des Gesamtdurchmessers und an ihrer dicksten Stelle kleiner als 25 % des Gesamtdurchmessers ist.
Erfindungsgemäß ist eine Drahtelektrode mit einem Stahlkern bereitgestellt, welcher der Drahtelektrode in erster Linie die für die Funkenerosion geforderten mechanischen Eigenschaften aufprägt. Die hierfür ebenfalls erforderlichen elektrischen Eigenschaften in Gestalt einer ausreichend elektrischen Leitfähigkeit werden der Drahtelektrode im Wesentlichen durch den Mantel mit seiner Eisen- Zink-Legierungsschicht bereitgestellt, die eine hierfür notwendige Dicke zwischen 5% und 25% bezogen auf den Gesamtdurchmesser der Drahtelektrode aufweist. Die im Rahmen der Erfindung geförderte minimale und maximale Dicke der Eisen-Zink-Legierungsschicht stellt einen optimalen Kompromiss für den gesamten Durchmesserbereich der Drahtelektrode dar. Auf diese Art und Weise werden die beiden oben genannten Eigenschaften in einem für die Funkenerosion ausreichenden Maße bereitgestellt. Zum einen weist die erfindungsgemäße Drahtelektrode eine Leitfähigkeit auf, die derjenigen eines Messingdrahtes nahe kommt. Darüber hinaus ist eine mit den Standards marktüblicher Funkenerosionsmaschinen kompatible Bruchfestigkeit geschaffen. Eine Eisen-Zink- Legierungsschicht mit einer Dicke, die über den geforderten Bereich hinausgeht, würde zwar für eine ausreichend große elektrische Leitfähigkeit der Drahtelektrode sorgen. Eine zu dicke Eisen-Zink- Legierungsschicht würde jedoch die Bruchfestigkeit der Drahtelektrode herabsetzen, so dass es bei der Funkenerosion zu einem Zerreißen der Drahtelektrode kommt. Eine zu dünne Eisen-Zink-Legierungs- schicht würde hingegen bedeuten, dass die Drahtelektrode keine ausreichend große Leitfähigkeit aufweist, da der elektrische Strom auf Grund des vergleichsweise schlecht leitenden Stahlkerns im Wesentlichen über die Eisen-Zink-Legierungsschicht geführt wird.
Liegt die Dicke der Eisen-Zink-Legierungsschicht bei etwa 5% des Drahtdurchmessers, ist es notwendig, die Bearbeitungsparameter der Funkenerosionsmaschine so einzustellen, dass das Risiko eines Drahtrisses herabgesetzt ist. Diese Parameterumstellung kann jedoch die Bearbeitungsleistungen beeinträchtigen.
Die Eisen-Zink-Legierungsschicht der erfindungsgemäßen Drahtelek- trode stellt darüber hinaus sicher, dass ein ausreichendes Eisen- und Zinkvolumen in die Bearbeitungszone eingeführt wird, so dass diese für die Bearbeitung zwingend erforderlichen Metalle bei einem Einsatz nicht vorschnell verbraucht werden.
Unter dem Begriff „Dicke" einer Schicht ist die einfache Dicke der besagten Schicht an einer Seite der Drahtelektrode zu verstehen.
Vorteilhafterweise bildet die erfindungsgemäße Drahtelektrode einen in Längsrichtung der Drahtelektrode durchgängig leitenden Strompfad im Mantel aus. Hierzu ist die Eisen-Zink-Legierungsschicht durchgängig elektrisch leitend ausgebildet und frei von Unterbrechungen. Durch diese elektrisch kontinuierliche Ausbildung ist sichergestellt, dass die Eisen-Zink-Legierungsschicht mit der geforderten Dimensionierung den Strompfad, der einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist, im Mantel durchgängig ausbildet. Im Rahmen der Erfindung ist grundsätzlich beliebig, wie die elektrische Kontinuität der Schicht herbeigeführt wird. So ist es im Rahmen der Erfindung beispielsweise möglich, dass die Eisen-Zink- Legierungsschicht mehrere Legierungsphasen aufweist, die in einer Querschnittansicht konzentrische Ringe um den Stahlkern ausbilden. Die Eisen-Zink-Legierungsschicht kann auch aus drei Phasen bestehen, von denen zwei überwiegend sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet die Eisen-Zink-Legierungsschicht jedoch eine dichte Packung von Schichtelementen aus, wobei die Schichtelemente einander kontaktieren. Der Kontakt der Schichtelemente ist notwendig, da ansonsten keine leitende Verbindung zwischen den Schichtelemente geschaffen und der Strom nicht ungehindert über die Eisen- Zinklegierung fließen könnte. Mit anderen Worten gewährleistet die Eisen-Zink-Legierungsschicht, dass die Stromdichte während des Betriebs der Drahtelektrode im Mantel nicht zu null wird. Der Begriff Schichtelemente soll beliebig geformte Legierungsabschnitte also beispielsweise Filme, Schuppen, Lamellen, Körner oder Klumpen oder dergleichen umfassen. Schichtelemente können beispielsweise mit Hilfe eines Mikroskops erkannt werden, wobei dem Mikroskopieren eine geeignete chemische Behandlung voraus gehen kann. Mit anderen Worten bilden die Schichtelemente eine dichte Textur aus Filmen, Schuppen, Lamellen, Körnern oder Klumpen aus, die beispielsweise aus verschiedenen Legierungsphasen bestehen. Die dichte Packung ist vorteilhafterweise eine gasdichte Packung.
Sowohl eine kontinuierliche Ausbildung der Eisen-Zink- Legierungsschicht als auch ein gasdichter Verband einander kontaktierender Schichtelemente verbessert den Schutz des Stahlkerns vor unerwünschten Oxidationsvorgängen. Da das Eisen des Kerns ein leicht oxidierbares Metall ist, kann ein schlecht gelagerter und ungenügend geschützter Draht verkommen und unbrauchbar werden. Oxide, die sich an den Wicklungen einer Drahtspule bilden können, können mehrere . unerwünschte Auswirkungen haben. Zum einen wird der Durchmesser des Drahtes ungleichmäßig und auf unkontrollierbare Weise vergrößert mit Betriebsstörungen des Abspulsystems der Funkenerodiermaschine im Gefolge. Darüber hinaus wird die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigt, da die Drahtwindungen miteinander verkleben können, wodurch das Abspulen der Drahtelektrode von der Spule behindert wird, auf welche die Drahtelektrode gewickelt ist. Der an seiner Oberfläche oxidierte Draht verursacht ferner Erosionsentladungen, welche die Zuführvorrichtungen des Stroms in den Bearbeitungsdraht beschädigen oder gar zerstören können. Der Oxidationsschutz des Stahlkerns ist demnach wesentlich und erfordert die erfindungsgemäß definierte Dicke der Eisen-Zink- Legierungsschicht. Eine aus dem Stand der Technik vorgeschlagene lokal aufgerissene Kernbeschichtung hingegen würde den Kern nach außen freilegen, so dass es zu der oben beschrieben Rostbildung kommen kann.
Um einen möglichst effektiven Einsatz der Drahtelektrode in einer Funkenerosionsmaschine zu ermöglichen, müssen die mechanischen Eigenschaften des Drahtes genau an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Nicht für alle Anwendungen kann die gleiche Drahtelektrode eingesetzt werden. Vielmehr ist es notwendig die Eigenschaften der Drahtelektrode in Abhängigkeit der jeweiligen Anforderung gezielt auszuwählen. Dies gilt sowohl für die Dimensionierung der Drahtelektrode als auch für deren metallurgische Zusammensetzung, wobei diese Faktoren aufeinander abgestimmt sein sollten. Bei Drahtelektroden mit einem großen Gesamtdurchmesser ist es beispielsweise notwendig, die Steifheit der Drahtelektrode herabzusetzen. Bei Drahtelektroden mit kleinem Gesamtdurchmesser sollte hingegen die Bruchfestigkeit erhöht werden. In diesem Sinne lässt sich der Gesamtdurchmesser in zwei Kategorien unterteilen, wobei Drahtelektroden der ersten Kategorie einen Gesamtdurchmesser über und die Drahtelektroden der zweiten Kategorie einen Gesamtdurchmesser unter oder gleich 0,2 mm aufweisen. Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist der Gesamtdurchmesser ebenfalls kleiner als 0,20 mm, wobei der Anteil an Eisen in der Eisen- Zink-Legierungsschicht höchsten 50 Gew.-% beträgt. Dies gilt gegebenenfalls für alle Phasen der Eisen-Zink-Legierung in der Eisen-Zink-Legierungsschicht. Die Eisen-Zink-Legierungsschicht kann im Rahmen der Erfindung neben Eisen und Zink auch Verunreinigungen oder aber gezielt eingebrachte Zusatzmaterialen enthalten. Der Anteil dieser letztgenannten Metalle muss sorgfältig abgewogen werden, um bei der Bearbeitung die erwartete Wirkung frei zu setzen. Vorteilhafterweise wird der Zinkgehalt in der Eisen-Zink- Legierungsschicht nach außen, also zu der von dem Stahlkern abgewandten Seite der Eisen-Zink-Legierungsschicht immer größer.
Besondere Vorteile bringt es mit sich, wenn der Zinkgehalt in der Eisen-Zink-Legierungsschicht größer oder gleich 60 Gew.-% ist. Bei einem Gesamtdurchmesser kleiner als 0,20 mm ist es ferner vorteilhaft, wenn der Stahl des Stahlkerns zwischen 0,2 und 0,6 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Bei einer entsprechend dimensionierten Drahtelektrode ist es ferner zweckmäßig, dass der Stahlkern eine Bruchfestigkeit zwischen 1000 und 3000 N/mm2 aufweist.
Ist der Gesamtdurchmesser grösser oder gleich 0,20 mm, enthält der Stahl des Stahlkerns vorteilhafterweise höchstens 0,2 Gew.-% an Kohlenstoff. Vorteilhafterweise liegt die Zugfestigkeit einer Drahtelektrode mit einem Gesamtdurchmesser über oder gleich 0,20 mm zwischen 300 und 1100 N/mm2.
Vorteilhafterweise ist der Stahlkern so ausgestaltet, dass er in einem plastischen Bereich unter Einwirkung einer Zugkraft plastisch verformbar und in seinem plastischen Bereich um wenigstens 10 % verlängerbar ist. Wird der Draht einer steigenden Zugkraft ausgesetzt, gibt es einen Bereich von Zugkräften, in dem sich die Drahtelektrode elastisch verformt. Bei einer elastischen Verformung wird die Drahtelektrode verlängert, wobei sich Gesamtdurchmesser verkleinert. Wird die Zugkraft anschließend auf null zurück gefahren, nimmt die Drahtelektrode wieder ihre ursprüngliche Gestalt an und weist wieder den ursprünglichen Gesamtdurchmesser auf. Übersteigt die Zugkraft jedoch die maximale elastische Verformung, kommt es zu einer plastischen Verformung der Drahtelektrode. Diese Verformung ist irreversibel. Wird die Zugkraft auf null zurückgefahren, bleibt die Drahtelektrode daher verformt. Dies gilt selbstverständlich auch wenn die Drahtelektrode zerreißt. Der plastische Bereich ist also der Bereich von Zugkräften, der von dem besagten Schwellenwert bis zu der Zugkraft reicht, bei der die Drahtelektrode reißt. Kann die Drahtelektrode in ihrem plastischen Zustand um bis zu 10 % verlängert werden, ist der Gesamtdurchmesser der Drahtelektrode nach dem Zerreißen an ihrem freien Ende so klein, dass die Drahtelektrode einfach Eingefädelt werden kann. Die automatische Einfädelbarkeit ist bei vielen handelsüblichen Erodiermaschinen eine wichtige Anforderung, die an die einsetzbaren Drahtelektroden gestellt wird. Die so weitergebildete erfindungsgemäße Drahtelektrode kann daher in üblichen Abspul-, automatischen Einfädel-, Führungsund Zerhacken-Vorrichtungen problemlos eingesetzt werden. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, wie man die zehnprozentige Dehnbarkeit der Drahtelektrode in ihrem plastischen Bereich herbeiführen kann. Die kann beispielsweise durch zweckmäßiges Erwärmen der Drahtelektrode erfolgen, oder aber durch eine geeignete metallurgische Zusammensetzung des Stahlkerns und des Mantels. Wie bereits oben ausgeführt wurde weist der Stahl eine den Ansprüchen oftmals nicht genügende elektrische Leitfähigkeit auf. Erfindungsgemäß wird der billige Stahl des Stahlkerns nicht allzu stark mit Strom belastet, da sich der Hauptstrompfad in dem Mantel der Drahtelektrode, einem viel besseren elektrischen Leiter, erstreckt. Übliche Frequenzen von Erosionsentladungen liegen im Bereich von 50 kHz. Dies führt dank dem so genannten Skin-Effekt zu einer Erhöhung der Stromdichte am äußeren Rand der Drahtelektrode, wodurch die Übernahme des Stroms durch den Mantel noch unterstützt wird. Der im Kern fließende Strom wird in der Nähe der Grenzfläche zum Mantel und somit in die Eisen-Zink- Legierungsschicht hinein verschoben. Der Stahl des Stahlkerns ist daher vorteilhafterweise so beschaffen, dass dieser Effekt begünstigt und der Strom somit nahezu vollständig über den Mantel geführt wird. Der Stahlkern wird daher bevorzugt aus einem Stahl hergestellt, der eine magnetische Permeabilität μΓ zwischen 5000 und 10000 aufweist. Ein solcher im Rahmen der Erfindung bevorzugter Stahl des Stahlkerns enthält höchstens 6 Gew.-% an Silizium.
Solche Stähle werden auch zur Herstellung von Transformatorblechen eingesetzt. Vorteilhafterweise weist der Stahlkern einen spezifischen elektrischen Widerstand unter 15 μΩοηη auf.
Vorteilhafterweise weist der Mantel eine äußere Schicht aus reinem Zink auf, von der die Eisen-Zink-Legierungsschicht umgeben ist. Zink weist für die Feinbearbeitung interessante Eigenschaften auf und sorgt für einen verbesserten elektrischen Kontakt. Ferner ist die Anwesenheit von Zink aus metrologischen Gründen sehr wichtig.
Andere Metalle wie Magnesium oder Aluminium können ebenfalls interessante Eigenschaften für die Funkenerosion bereitstellen. Die Anwesenheit dieser Materialien in der Eisen-Zink-Legierungsschicht kann beispielsweise die Bearbeitung eines Werkstückes beschleunigen. Vorteilhafterweise enthält die Eisen-Zink-Legierungsschicht daher Aluminium und/oder Magnesium, wobei der Anteil des Aluminiums kleiner als 8 Gew.-% und der Anteil des Magnesiums kleiner als 5 Gew.-% ist. Die auf diese Weise gebildete Eisen-Zink- Legierungsschicht enthält zweckmäßigerweise in der Nähe des Stahlkerns eine Komponente aus diffundiertem Eisen. Das Eisen ist beispielsweise bei der Diffusion durch Wärmebehandlung aus dem Stahlkern in den Mantel diffundiert. Diese Legierungsarten ermöglichen, die Herstellungskosten noch weiter zu senken.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Drahtelektrode für die Funkenerosion, die einen Gesamtdurchmesser zwischen 0,05 und 0,4 mm ausweist, wird beispielsweise eine aus Eisen und Zink bestehende kontinuierliche Eisen-Zink-Legierungsschicht auf einen aus Stahl bestehenden Stahlkern aufgebracht, dessen Durchmesser dem Gesamtdurchmesser der Drahtelektrode abzüglich der gewünschten Dicke d der Legierungsschicht entspricht.
Vorteilhafterweise wird die Drahtelektrode nach dem Aufbringen der Eisen-Zink-Legierungsschicht auf ihren Enddurchmesser gezogen, wobei der Gesamtdurchmesser möglichst wenig beispielsweise um höchstens 0,01 mm verkleinert wird, um das Aufreißen der Legierungsschicht zu vermeiden.
Die oben erwähnten Vorteile können nur erhalten werden, wenn der Durchmesser des bei der Herstellung zu Beginn eingesetzten Stahlkerns nahe an dem Enddurchmesser der fertigen Drahtelektrode liegt. Die hierbei einzuhaltenden Toleranzen liegen beispielsweise im Bereich von +0.002 mm bis -0.004 mm. Der Ziehvorgang, der beispielsweise auf die Ablagerung der Eisen-Zink-Legierungsschicht auf den Stahlkern folgt, soll das Kalibrieren sichern und darf den Gesamtdurchmesser nicht unter einen vorgegebenen Schwellenwert herabsetzten, da ansonsten die Eisen-Zink-Legierungsschicht aufgebrochen und der Stahlkern freigelegt würde. Dies würde sich nicht nur nachteilig auf die Leitfähigkeit der Drahtelektrode auswirken, sondern darüber hinaus auch zu einer unerwünschten Oxidation des Eisens des freigelegten Stahlkerns führen. Vorteilhafterweise wird daher beim Ziehen des beschichteten Stahlkerns, der Gesamtdurchmesser der Drahtelektrode zweckmäßig reduziert. Auf diese Weise kann die Kontinuität der den Strom leitenden Schicht bewahrt werden, so dass sich der elektrische Widerstand der Drahtelektrode nicht erhöht.
Beispielsweise wird bei dem Herstellungsverfahren zunächst eine Zinkschicht auf den Stahlkern aufgebracht. Anschließend kann der so beschichtete Draht geglüht werden, wobei Eisenteilchen in die Zinkschicht hinein diffundieren, so dass sich die gewünschte Eisen- Zink-Legierungsschicht ausbildet. Anschließend kann die Drahtelektrode unter Einhaltung der oben genannten Vorsichtsmaßnahmen noch auf den Enddurchmesser also den Gesamtdurchmesser der fertigen Drahtelektrode gezogen werden.
Die Struktur der aufgebrachten Zinkschicht und somit die Struktur der späteren Eisen-Zink-Legierungsschicht ist von dem gewählten Ablagerungsschritt abhängig. Wird das Zink auf elektrolytischem Wege auf den Stahlkern aufgebracht, kommt es zu einer Ablagerung in fester Form. Eine thermische Diffusion ist dann zwingend erforderlich, um das Eisen aus dem Kern in den Mantel zu treiben und so die Eisen-Zink-Legierung herbei zu führen. Hierzu wird der Draht erhitzt, wobei sich eine Legierung aus mehreren konzentrischen Phasen bildet. Die zinkreichen Phasen sind duktiler als die zinkarmen Phasen der Eisen-Zink-Legierungschicht. Sie befinden sich an dem vom Stahlkern abgewandten Außenrand der Eisen-Zink-Legierungsschicht. Die andere brüchigere Eisen-Zink-Legierungsphase ist hingegen am Innenrand ausgebildet, der an den Stahlkern angrenzt. Diese für einen Funkenerosionsdraht sehr günstige Struktur erlaubt es daher, die brüchigere Phase mit einer duktilen Phase zu umhüllen, so dass die Drahtelektrode innerhalb enger Grenzen gezogen werden kann, ohne dass die Eisen-Zink-Legierungsschicht aufbricht. Ferner wird in der Peripherie eine vorteilhafte zinkreiche Schicht erzeugt. Zudem ist eine ebenfalls vorteilhafte polyvalente Drahtelektrode bereitgestellt.
Bei dem im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglichen so genannten Eintauchverfahren (Dipping) als Ablagerungsschritt erfolgt die Ablagerung der Außenschicht in flüssiger Form. Das Aufbringen der jeweiligen Schicht des Mantels erfolgt durch Eintauchen des Stahldrahts in flüssiges Zink oder in eine flüssige Eisen-Zink- Mischung. Die Bildung der Phasen ist hier komplizierter und hängt von der Art und Temperatur des Bades ab. Ein einziger Eintauchschritt kann somit an die Stelle einer elektrolytischen Ablagerung und der darauf folgenden thermischen Diffusion treten.
Ein Galvanisierungsbad (Dipping) erlaubt auch, eine präzise metallurgische Phase direkt auszubilden und/oder andere Metalle wie Aluminium, Magnesium oder Nickel in die Eisen-Zink- Legierungsschicht einzufügen. Aluminium und Magnesium können nicht elektrolytisch aufgebracht werden.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs- beispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
Figuren 1-3 verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungs- gemäßen Drahtelektrode in einer schematischen Querschnittsansicht verdeutlichen,
Figur 4 eine stark vergrößerte schematische Ansicht einer
Eisen-Zink-Legierungsschicht mit dichten Schichtelementen zeigt, die als Lamellen ausgestaltet sind,
Figur 5 eine stark vergrößerte schematische Ansicht einer
Eisen-Zink-Legierungsschicht mit dichten Schichtelementen zeigt, die als nebeneinander liegende Klumpen ausgestaltet sind, und
Figur 6 - 9 die Bruchspannung und die elektrische Verlustleistung von Drahtelektroden mit einem Gesamtdurchmesser 0,1 mm, 0,2 mm, 0,25 mm beziehungsweise 0,3 mm in Abhängigkeit der Schichtdicke der jeweiligen Eisen- Zink-Legierungsschicht zeigen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drahtelektrode 1 in einer schematischen Querschnittsansicht. Die Drahtelektrode 1 ist im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet, wobei sie sich mit einem mehr oder weniger gleichbleibenden Gesamtdurchmesser D in einer Längsrichtung erstreckt. Der Gesamtdurchmesser D der Drahtelektrode ist in Figur 1 verdeutlicht. Die Drahtelektrode 1 verfügt über einen mittigen Stahlkern 2, der aus einem zweckmäßigen Stahl besteht. Der Stahlkern 2 ist von einem Mantel 3 umschlossen, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ausschließlich aus einer Eisen-Zink- Legierungsschicht 4 besteht.
Die in Figur 1 gezeigte Drahtelektrode 1 weist einen Gesamtdurch- messer D von 0,1 mm auf. Die Dicke d der Eisen-Zink- Legierungsschicht 4 beträgt 12 μιη. Der Eisenanteil der Eisen-Zink- Legierungsschicht 4 liegt zwischen 25 % und 29 Gew.-%. Der Kohlenstoffanteil des Stahlkerns 2 liegt bei 0,5 Gew.-%
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drahtelektrode 1 , wobei der Mantel 3 jedoch neben einer Eisen-Zink-Legierungsschicht 4 eine Zinkschicht 5 umfasst, die die Eisen-Zink-Legierungsschicht 4 außen umschließt. Auf diese Weise wird eine äußere zinkreiche Schicht breitgestellt, die für die Endbearbeitung vorteilhaft ist. Darüber hinaus ist ein polyvalenter Draht geschaffen.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drahtelektrode 1 in einer vergrößerten Querschnittansicht, in der lediglich ein Teil der Drahtelektrode 1 erkennbar ist. Die Drahtelektrode 1 verfügt wieder über einen Stahlkern 2, der von einem Mantel 3 aus einer Eisen-Zink-Legierungsschicht 4 umgeben ist. Es ist erkennbar, dass die Eisen-Zink-Legierungsschicht 4 mehrere konzentrisch angeordnete ringförmige Phasenschichten 5, 6 und 7 aufweist, wobei es sich bei der Phasenschicht 5 um eine γ-Phase, bei der Phasenschicht 6 um eine δ-Phase und bei der Phasenschicht 7 um eine ξ-Phase handelt. Der Zinkanteil der Eisen- Zink-Legierungsschicht 4 nimmt somit von der Phasenschicht 5 zur Phasenschicht 7 hin fortschreitend zu. Die Phasenschichten 6 und 7 sind daher duktiler als die weiter innen liegende sprödere Phasenschicht 5. Diese Anordnung setzt die Gefahr, dass die Eisen- Zink-Legierungsschicht 4 aufbricht, deutlich herab.
Die Figuren 4 und 5 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drahtelektrode 1 , die wieder in einer Teilquerschnittansicht dargestellt ist. Insbesondere ist der Aufbau der Eisen-Zink-Legierungsschicht 4 erkennbar, die sowohl bei der Drahtelektrode 1 gemäß Figur 4 und als auch bei der Drahtelektrode 1 gemäß Figur 5 aus einer dichten Packung von Schichtelementen 8 besteht, die zueinander unterschiedliche Legierungsphasen ausbilden. Die Schichtelemente 8 kontaktieren einander, so dass ein kontinuierlich leitender Strompfad in der Eisen-Zink-Legierungsschicht 4 ausgebildet ist. Der Zinkanteil der Schichtelemente 8 kann von Schichtelement 8 zu Schichtelement 8 variieren und liegt in dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen 65 und 75 Gew.-%, wobei er nach außen also zu der vom Stahlkern 2 abgewandten Seite des Mantels 3 hin ansteigt. Aus metallurgischen Gründen steigt der Zinkanteil nicht fortschreitend oder mit anderen Worten linear nach außen hin an. Vielmehr variiert der Zinkanteil hier auch sprunghaft und ist in der Phase umso höher, je weiter entfernt die besagte Phase vom Kern angeordnet ist.
Bei der Drahtelektrode 1 gemäß Figur 4 sind die Schichtelemente 8 als miteinander verschränkt angeordnete Lamellen ausgestaltet. In Figur 5 sind hingegen Schichtelemente 8 gezeigt, die als nebeneinander liegende Klumpen oder Blöcke ausgestaltet sind. In jedem der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Schichtelemente 8 so dicht gepackt, dass die Eisen-Zink- Legierungsschicht 4 eine gasdichte Barriere um den Stahlkern 2 ausbildet, dessen Eisenbestandteile somit vor dem aggressiven Luftsauerstoff geschützt sind. Der Gesamtdurchmesser D von Drahtelektroden 1 , die in der Praxis bei der Funkenerosion eingesetzt werden, variiert zwischen 0,05 mm und 0,4 mm. Bei der Herstellung der entsprechend dimensionierbaren erfindungsgemäßen Drahtelektrode muss für die jeweilige Anwendung der zweckmäßigste Kompromiss zwischen fünf Eigenschaften gefunden werden, die teilweise gegenläufig zueinander in dem Sinne sind, dass die Verbesserung der einen Eigenschaft zu einer Verschlechterung einer andern Eigenschaft führt. Diese Eigenschaften sind: - die Leitfähigkeit der gesamten Drahtelektrode,
- ihre Bruchfestigkeit, um den mechanischen Belastungen
standzuhalten,
- die Festigkeit der Eisen-Zink-Legierungsschicht gegenüber dem
Verschleiß bei der Funkenerosion,
- der Vermögen der Eisen-Zink-Legierungsschicht den Stahlkern vor dem Rosten zu schützen,
- die zweckmäßige magnetische Permeabilität des Stahlkerns.
Stahl ist im Vergleich zu Kupfer oder Messing ein deutlich kostengünstigerer Werkstoff. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber den aus Messing bestehenden Drahtelektroden mit vergleichbaren Eigenschaften.
Das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Drahtelektrode eingesetzte erfindungsgemäße Verfahren ist von der Duktilität des Stahlkerns und dem auf diesen aufgebrachten Mantels abhängig. Wenn aber die Duktilität des beschichteten Stahlkerns nicht ausreichend ist, sollte entweder auf einen sich anschließenden Ziehprozess verzichtet oder dieser auf ein geringes Maß begrenzt werden. Eine gewisse plastische Verformung der erfindungsgemäßen Drahtelektrode ist im Bereich der Funkenerosion im Hinblick auf die dort herrschenden Anforderungen beispielsweise beim automatischen Einfädeln unentbehrlich. So sind einige Maschinen, in denen die erfindungsgemäße Drahtelektrode zum Einsatz gelangen soll, mit einer Ausglühvorrichtung ausgestattet, die das Einfädeln der Drahtelektrode vereinfacht. Bei einem kohlenstoffarmen Stahl wird eine ausreichende plastische Verformung der Drahtelektrode durch eine Temperaturerhöhung erreicht.
Die Plastizität ist für das Einfädeln nützlich: Bei der Vorbereitung der Drahtelektrode erlaubt sie eine Einschnürung des Drahtes, so dass dieser scharf wird und durch die Führungen der oberen und unteren Köpfe der Funkenerosionsmaschine eingefädelt werden kann.
Die Erhöhung der Kohlenstoffkonzentration im Stahl des Stahlkerns erhöht dessen Elastizitätsmodul, das auf diese Weise zwischen 8000 kg/mm2 und 16000 kg/mm2 variiert werden kann. Bei einem Draht mit einem Gesamtdurchmesser von 0,25 mm kann der beispielsweise 50 mm große Mindestbiegeradius durch die Erhöhung der Kohlenstoffkonzentration verdoppelt werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Drahtelektroden mit einem Stahlkern, einem Gesamtdurchmesser über 0,25 mm und einer Bruchfestigkeit von über 2000 N/mm2 sind wohl aus diesen Gründen für die Funkenerosionsmaschinen ungeeignet. Diese steifen Drähte können in den derzeitig eingesetzten Maschinen nur schwer geführt werden und diese sogar beschädigen. Die meisten in der Praxis eingesetzten Maschinen sind darüber hinaus in der Regel mit einem Hacker ausgestattet, der hinter der Bearbeitungszone angeordnet ist. Die maximale Scherkraft dieser Hacker ist beschränkt. Drahtelektroden mit einem Gesamtdurchmesser über und einer Kohlenstoffkonzentration über 0,2 Gew.-% werden nur unzureichend oder gar nicht gehackt, wobei eine Beschädigung der Hackvorrichtung nicht ausgeschlossen werden kann. Die vorbekannten Drahtelektroden mit einem 0,25 mm großen Durchmesser und einer Bruchfestigkeit von über 1300 N/mm2 sind in der Regel für die Hack- und Transportvorrichtungen der meisten Funkenerosionsmaschinen ungeeignet.
Um eine ausreichende Bruchfestigkeit bei einem vorgegebenen Drahtdurchmesser zu erreichen, kann die Dicke des Mantels beschränkt werden, insoweit dieser eine gegenüber dem Kern herabgesetzte mechanische Festigkeit aufweist. Wie bereits ausgeführt wurde, ist der Kern hauptsächlich für die mechanische Festigkeit der Drahtelektrode verantwortlich. Sein Durchmesser muss daher so groß sein, dass eine ausreichende mechanische Festigkeit gewährleistet ist. Der Mantel muss hingegen - da der Stahlkern ein schlechter Stromleiter ist - eine Mindestdicke aufweisen, um auch während der Bearbeitung von Werkstücken und dem damit einhergehenden Verschleiß des Mantels die globale Leitfähigkeit bereitzustellen. Bei der Auswahl des Stahls des Stahlkerns sind auch die magnetischen Eigenschaften des jeweiligen Stahls zu berücksichtigen. Der über den Stahlkern fließende Strom kann ein für den Schneidprozess nachteiliges Magnetfeld erzeugen, das zu einer Krümmung der Drahtelektrode in der Bearbeitungszone führt, wodurch sich die Schnittgenauigkeit verschlechtert. Zur Vermeidung dieser Nachteile weist der Stahl der erfindungsgemäßen Drahtelektrode eine möglichst geringe Remanenz auf. Stähle mit einer geringen Remanenz sind zunächst kohlenstoffarme Stähle, die jedoch gleichzeitig die erforderliche mechanische Festigkeit aufweisen. Dies lässt sich durch Einstellen des Siliziumgehalts im Stahlkern erreichen. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass Stähle, die zur Herstellung von Transformatorblechen eingesetzt werden, sich auch hervorragend zur Herstellung des Stahlkerns eignen.
Die Figuren 6 bis 9 ermöglichen im Rahmen der Erfindung, eine einfache Festlegung der mechanischen Festigkeit des Stahlkerns und der gesamten elektrischen Leitfähigkeit der Drahtelektrode bei vorgegebenem Gesamtdurchmesser. In den Figuren sind Drahtelektroden mit einem Gesamtdurchmesser von 0,1 mm, 0,2 mm, 0,25 mm beziehungsweise 0,3 mm dargestellt. Auf der jeweiligen Abszisse ist die Dicke der Eisen-Zink- Legierungsschicht in Mikrometern abgetragen. Die Ordinate stellt sowohl die elektrische Verlustleistung in Watt/cm als auch Bruchspannung des Drahtes in N dar, wobei für beide Größen die gleiche Zahlenskalierung gilt.
Die verschiedenen elektrischen Leistungen wurden mit einem Effektivstrom erzielt, der 10 A für einen Drahtdurchmesser von 0,1 mm, 35 A für einen Drahtdurchmesser von 0,2 mm, 60 A einen Drahtdurchmesser von 0,25 mm und 90 A für einen Drahtdurchmesser von 0,3 mm entsprach. Erzeugt wurde dieser Effektivstrom durch eine Folge elektrischer Sägezahnimpulse, wobei die Neigung der Kennlinie über 300 A/ s lag. Der spezifische elektrische Widerstand der Mantelschicht lag bei 6 μΩ*αη und des Kerns bei 10 μΩ* τι.
Die in den Figuren 6 bis 9 jeweils mit 1 gekennzeichnete Kurve stellt die elektrische Verlustleistung im Stahlkern dar. Die jeweilige Kurve 2 stellt die elektrische Verlustleistung in der Mantelschicht dar, die Kurve 3 die gesamte elektrische Verlustleistung und die Kurve 4 die Bruchspannung des Stahlkerns. Die jeweilige Kurve 5 stellt die Bruchspannung der bedeckten Drahtelektrode dar, wenn die Eisen- Zink-Legierungsschicht zu 50 % verschlissen ist (dies entspricht dem üblichen Verschleiß des Drahtes beim Funkenerodieren). Die waagerechte Linie 6 stellt die maximale mechanische Bruchspannung dar, der die Drahtelektrode mit dem angegebenen Gesamtdurchmesser in den üblichen Maschinen ausgesetzt wird.
Wie erwartet, steigt bei allen Diagrammen mit zunehmender Dicke der Eisen-Zink-Legierungsschicht die elektrische Verlustleistung in der Eisen-Zink-Legierungsschicht, wobei die gesamte mechanische Festigkeit der Drahtelektrode herabgesetzt wird.
Wird für Eisen-Zink-Legierungsschicht eine Dicke eingestellt, die einem rechts vom jeweiligen Punkt A (Schnittpunkt der Kurven 2 und 1 ) liegenden Wert entspricht, ist die elektrische Verlustleistung in der Eisen-Zink-Legierungsschicht zwar erhöht und kommt in etwa derjenigen des Stahlkerns nahe. Durch die Vergrößerung der Schichtdicke wird jedoch die mechanische Festigkeit verringert. Es ist ratsam, die mechanische Festigkeit nicht über einen Schwellenwert hinaus herabzusetzen, ab dem die Drahtelektrode beim Funkenerodierprozess reißen kann. Dieser Schwellenwert wird im Punkt B erreicht, in dem die maximale Bruchspannung (Kurve 5) unter die maximale Zugspannung (Kurve 6) der Erodiermaschine absinkt. Die optimale Schichtdicke ist daher ein Wert rechts vom Punkt A und links vom Punkt B.
Die Kurvenanalyse zeigt, dass die Eisen-Zink-Legierungsschicht 4 zwischen 5 % und 25 % des gesamten Drahtdurchmessers liegen muss. Das erlaubt, eine breite Drahtpalette je nach gewählter Manteldicke zu produzieren, wobei gewisse Drahtelektroden (mit dünner Mantelschicht) für die Schlichtbearbeitung besser geeignet sind, und andere (mit einer dickeren Mantelschicht) für eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit oder bei schlechten Spülungskonditionen leistungsfähiger sind. Die durchgeführten Untersuchungen führten zu der Feststellung, dass ein einfacher Eisendraht ohne Mantel eine nur sehr geringe Bearbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht, da sich beim Schneiden Wiederablagerung, die vom geschnittenen Werkstück stammen, bilden und zu hohen Bruchrisiken führen. Dieses Verhalten entspricht dem einer reinen Kupferschicht. Ein aus reinem Zink bestehender Mantel würde die Schnittgeschwindigkeit auch nicht auf ein zufriedenstellendes Maß erhöhen. Der Grund dafür liegt im starken Verschleiß des reinen Zinks angesichts seines niedrigen Schmelzpunkts. Auch eine sehr dicke, beispielsweise 25 Mikrometer dicke Mantelschicht aus reinem Zink steigert die Geschwindigkeit des Schneidvorganges nicht. Erst mit einer Eisen-Zink-Legierungsschicht ist es möglich, die Schnittgeschwindigkeit einer Drahtelektrode so zu erhöhen, dass sie derjenigen einer Drahtelektrode mit einem Mantel aus Kupfer-Zink entspricht. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass Verschleiß einer Eisen-Zink-Legierungsschicht geringer ist als derjenige eines nicht beschichteten Stahldrahtes oder eines Stahldrahtes mit einer reinen Zinkschicht. Eine zu dünne Eisen-Zink- Legierungsschicht kann hingegen keine ausreichende Wirkung entfalten. Eine solche Drahtelektrode weist in etwa die Eigenschaften eines reinen Stahldrahtes auf. Wird die Dicke der Eisen-Zink- Legierungsschicht jedoch deutlich und somit über das vorbekannte Maß erhöht, wurde überraschend festgestellt, dass die Wiederablagerungen stark reduziert werden können. Die Eisen-Zink- Legierungsschicht unterscheidet sich dabei völlig von der Zink-Kupfer- Legierungsschicht. Sie erlaubt, den Materialabtrag zu erhöhen und die Anzahl der Schlichtgänge zu reduzieren, da es nach dem Durchlauf des Drahtes keine Wiederablagerungen gibt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Dicke der Eisen- Zink-Legierungsschicht deutlich grösser sein muss, als dies bei vorbekannten Drahtelektroden der Fall war.

Claims

Patentansprüche
Drahtelektrode (1 ) für die Funkenerosion mit einem Gesamtdurchmesser (D) zwischen 0,05 und 0,4 mm, einem inneren aus Stahl bestehenden Stahlkern (2) und einem den Stahlkern (2) umgebenden äußeren Mantel (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (3) eine Eisen-Zink- Legierungsschicht (4) aufweist und die Dicke (d) der Eisen-Zink- Legierungsschicht an ihrer dünnsten Stelle größer als 5 % des Gesamtdurchmessers (D) und an ihrer dicksten Stelle kleiner als 25 % des Gesamtdurchmessers (D) ist.
Drahtelektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eisen-Zink-Legierungsschicht (4) einen durchgängig leitenden Strompfad im Mantel (3) ausbildet.
Drahtelektrode (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisen-Zink-Legierungsschicht (4) als eine dichte Packung von Schichtelementen (8) ausgestaltet ist, wobei die Schichtelemente (8) einander kontaktieren.
Drahtelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenanteil der Eisen-Zink- Legierungsschicht (4) kleiner oder gleich 50 Gew.-% ist.
Drahtelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinkanteil der Eisen-Zink- Legierungsschicht (4) größer oder gleich 60 Gew.-% ist.
Drahtelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinkanteil in der Eisen-Zink- Legierungsschicht (4) zu ihrem äußeren Rand hin ansteigt.
7. Drahtelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtdurchmesser (D) kleiner als oder gleich 0,2 mm ist und der Stahl des Stahlkerns (2) zwischen 0,2 und 0,6 Gew.-% an Kohlenstoff enthält.
8. Drahtelektrode (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkern (2) eine Bruchfestigkeit zwischen 1000 und 3000 N/mm2 aufweist.
9. Drahtelektrode (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtdurchmesser (D) grösser als 0,20 mm ist und der Stahl des Stahlkerns (2) nicht mehr als 0,2 Gew.-% an Kohlenstoff enthält.
10. Drahtelektrode (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkern (2) eine Bruchfestigkeit zwischen 300 und 1100 N/mm2 aufweist.
11. Drahtelektrode (1 ) nach .Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkern (2) so ausgestaltet ist, dass er in einem plastischen Bereich unter Einwirkung einer Zugkraft plastisch verformbar und in seinem plastischen Bereich um wenigstens 10 % verlängerbar ist.
12. Drahtelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkern (2) eine relative magnetische Permeabilität μΓ zwischen 5.000 und 10.000 aufweist.
13. Drahtelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkern (2) Silizium mit einem Anteil von nicht mehr als 6 Gew.-% enthält.
14. Drahtelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkern (2) einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 15 μΩαη aufweist.
15. Drahtelektrode (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (3) eine aus Zink bestehende äußere Zinkschicht (5) aufweist, welche die Eisen- Zinklegierung (4) außen umschließt.
16. Drahtelektrode (1 ) nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, die Eisen-Zink-Legierungsschicht (4) Aluminium und/oder Magnesium enthält, wobei der Anteil des Aluminiums kleiner als 8 Gew.-% und der Anteil des Magnesiums kleiner als 5 Gew.-% ist.
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