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Verfahren und Einrichtung zur Funkenerosionsbearbeitung
Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Funkenerosionsbearbeitung leitfähiger Werk- stücke.
Die Erfindung will Schwierigkeiten vermeiden, die durch die gegenseitige Abhängigkeit veränderli- cher Grössen, wie Funkenstreckenlänge, Dauer und Wiederholungsgeschwindigkeit der Entladung und Ent- 5 ladungsleistung bedingt sind. Die übliche Entladungsenergiequelle ist ein Kondensator, der vorerst auf
Leerlaufspannung geladen werden muss. Für die Entladung steht die Energie zur Verfügung, die In dem
Kondensator gespeichert ist. Höhere Leistungen und höhere Schnittgeschwindigkeiten erfordern grössere
Kapazität. Die Entladungsdauer wird durch das Produkt aus Kapazität und Induktivität des Entladungs- kreises bestimmt.
Wenn die Induktivität auf ein Minimum gebracht wird, so ergibt die Vergrösserung der ) Kapazität zwecks Erzielung erhöhter Entladungsenergie verlängerte Entladungsdauer aber nicht eine hö- here Entladungsleistung. Eine Zunahme der Entladungsdauer ist meist unerwünscht, da sie die Wiederho- lungsgeschwindigkeit und dadurch die Durchschnittsleistung begrenzt ; auch besteht die Gefahr der Be- schädigung der Werkstücke durch Wärme, wenn die Entladungen verlängert werden.
Höhere Leistung und höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten erhält man durch Vergrösserung der Koni densatorspannung. Grössere Mengen gespeicherter Energie können dann in kurzer Zeit bei hohen Strom- pegeln entladen werden, wie dies im allgemeinen für den Bearbeitungswirkungsgrad erwünscht ist. Wenn die Funkenstrecke direkt dem Kondensator nachgeschaltet ist, ermöglichen aber die kleinen, gewöhnlich zur Bearbeitungsgenauigkeit erwünschten Funkenstreckenlängen einen Überschlag, bevor der Kondensator voll geladen ist.
Die Erfindung strebt danach, die Strecke zu beschränken, bei der solche unerwünschte Überschläge auftreten können. Für den Fall des Kurzschlusses der Entladungsstrecke wird bei höheren Entladungsströ- men die Gefahr des Verschweissens von Werkzeug und Werkstück oder dessen Überhitzen vergrössert. An- derseits soll eine Aufzehrung der gespeicherten Energie für den Fall einer zu langsamen Elektrodenbe- wegung oder die Beseitigung eines Kurzschlusszustandes ohne Beschädigung der Einrichtung möglich sein.
Es ist daher auch Aufgabe der Erfindung, schädliche Wirkungen einer Entladungsstrecke, die grösser oder kleiner als erforderlich ist, zu verhindern.
Das vorliegende Verfahren zur Funkenerosionsbearbeitung von elektrisch leitenden Stoffen durch elek- trische Entladungen einer Energiequelle über den Bearbeitungsspalt zwischen einem Werkstück und einer
Werkzeugelektrode kennzeichnet sich dadurch, dass mittels eines Impulsgenerators geringer Leistung Test- entladungen in dem Bearbeitungsspalt erzeugt werden, die über elektrische Mess- und Steuerelemente die
Erzeugung von Entladungen der Energiequelle nur auslösen, wenn die Bedingungen in dem Bearbeitungs- spalt eine einwandfreie Arbeitsentladung ermöglichen.
Weitere Merkmale der Erfindung sind aus der fol- genden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich, welche die Zeichnungen zeigen :
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das in allgemeiner Weise die funktionelle Anordnung einer Enrich- tung nach der Erfindung veranschaulicht ; Fig. 2 das Schaltbild einer Einrichtung nach der Erfindung, bei welcher der Leit- oder Steuerimpuls direkt von der Leistungsstromquelle ohne einen Triggerschalter abge-
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keninformationssignal in den Teilen A, B und C jeder Figur, wobei die Figuren die Länge der Funkenstrecke in der Einrichtung nach Fig. 2 bei offenem Stromkreis, normalem Schneidvorgang bzw. Kurzschluss darstellen.
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In jeder der folgenden Schaltungen wird einLeistungsimpuls nur ausgelöst, wenn ein Testimpuls nied- riger Leistung anzeigt, dass die Funkenstreckenbedingungen für nutzbare Entladung genau erfüllt sind. Die
Schaltung nach Fig. 1 besitzt eine Leit- oder Steuerimpulsquelle 1, eine Leistungsimpulsquelle 2, ein die
Funkenstrecke prüfendes Netzwerk 3 das die Funkenstrecke selbst enthält, einen Leistungsimpulsentla- i dungsschalter 4, der nur betätigbar ist, wenn die Funkenstrecke einen richtiger. Abstand hat, und eine
Steuerschaltung 5, die ein von dem Netzwerk 3 abgeleitetes Signal an den Schalter 4 legt.
Eine selbst- tätige, den Elektrodenvorschub steuernde Vorrichtung 6 wird auch von der Steuerschaltung 5 betätigt und ist erforderlich, um die Elektrode mit Bezug auf das Werkstück in einer Richtung und mit einer Geschwin- digkeit zu bewegen, die dem Steuersignal und der Amplitude eines von dem Funkenstreckennetzwerk abgeleiteten elektrischen Signals entsprechen.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform benutzt die Frequenz einer Wechselstromquelle als Leit- oder
Steuerfrequenz. Die Spannung einer Energiequelle 10 wird durch einen Transformator 11 erhöht und an die Punkte 12 und 13 gelegt, wobei 13 auf Massepotential liegt. Eine Induktivität 14 liegt in Reihe mit der Zuleitung zu Klemme 12. Eine Speichervorrichtung in Form eines Kondensators 15 liegt zwischen den Klemmen 12 und 13. Die Ladeimpedanz verhindert das direkte Anlegen der Kondensatorladespannung an den Entladungskreis. Der Energiespeicher kann auch ein aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehendes impulsformendes Netzwerk sein.
Ein Teil der Entladungsschaltung fuhrt über eineSchaltvorrichtung16 mit Steuerelektrode und der an- dere über einen Strombegrenzer (Widerstand) 17, der die Vorrichtung 16 überbrückt. Die Schaltvorrich- tungl6 ist vorzugsweise ein Thyratron oder ein Ignitron. Der Widerstand 17 begrenzt dem Stromfluss, um
Beschädigung des Werkstückes im Falle eines Kurzschlusses zu verhindern.
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mit Wechselstromspeisung gearbeitet wird, ist ein Thyratron 18 vorgesehen, das mit dem Widerstand 17 als Gleichrichter zusammenarbeitet, um nur positive Impulse der Wechselstromquelle durchzulassen. Somit kann der Entladungsstrom nur fliessen, wenn die Klemme 12 positiv gegen Erde ist.
Das Thyratron 18 ist notwendigerweise in Reihe mit dem Leitimpulswiderstand 17 geschaltet und liegt in diesem Falle auch in Reihe mit der Leistungsimpulsschaltvorrichtung 16. In Anbetracht des plötzlichen Durchschlages bei Ionisierung der Gasentladungsvorrichtung 18 hat der Leitimpuls eine steiler ansteigende Spannungsflanke als durch die volle Halbwelle definiert. Die Gitterelektrode des Thyratrons 18 ist vorteilhaft einstellbar vorgespannt, um die Zündzeit an einem Punkte in der Nähe der Spitze der positiven Halbwellenspannung einzustellen. Zu diesem Zweck sind eine Gleichvorspannungsquelle 19, die als Batterie dargestelltist, und ein den Gitterstrom begrenzender Widerstand 20 zwischen die Anode und das Gitter des Thyratrons 18 geschaltet.
Die den Bearbeitungsspalt vorstellende Funkenstrecke G schliesst den Entladungskreis als eine sehr niedrige Impedanz während der normalen Bearbeitungsentladung. Sie wird von einem Funkenstreckenwiderstand 21 überbrückt, der zusammen mit dem Widerstand 17 die Quellenspannung für den Fall unterteilt, dass die Funkenstreckenlänge zum Entstehen der Entladung zu gross ist.
Der Strom, der durch den Widerstand 21 geht, stellt das Potential parallel zu der Schaltvorrichtung 16 vor der Entladung her. Zusammen mit dem Widerstand 17 liefert er einen Pfad, um nur einen Teil der Energie des Kondensators 15 in dem Fall zu entladen, dass keine Überschlagsentladung auftritt.
Um eine nutzbare Steuerung des Leistungsschalters aus der von dem Steuerimpuls abgeleiteten Information herzustellen. wird das Funkenstreckennetzwerk durch einen Kondensator 22 und einen damit in Reihe geschalteten Widerstand 23 ergänzt, um den Spalt G und den Widerstand 21 zu überbrücken. Die am Widerstand 23 auftretende Spannung wird mit Bezug auf die Spannung an der Funkenstrecke wie folgt differenziert :
Die am Widerstand 23 auftretende Spannung wird zweckmässigerweise zuerst in einem Verstärker 24 verstärkt, dessen Eingangsklemmen parallel zu dem Widerstand 23 geschaltet sind. Das verstärkte Signal wird in dem Gitterkreis der Schalteinrichtung 16 mittels eines Transformators 25 eingeführt, dessen Primärwicklung zwischen dieVerstärkerausgangsklemmen geschaltet ist.
Die an der Transformatorsekundärwicklung auftretende Spannung wird somit umgekehrt.
Die Sekundärwicklung ist zwischen das Gitter und die Kathode der Vorrichtung 16 in Reihe mit einer Vorspannungsquelle 26 geschaltet, die das Gitter ausreichend negativ hält, um Leitfähigkeit beim Fehlen eines positiv gerichteten Steuersignals zu verhindern, zusammen mit einem den Gitterstrom begrenzenden Widerstand 27.
Ein Antriebssystem für die Bearbeitungselektrode spricht auch auf eine Spannung des Funkenstreckennetzwerkes an. Dieser Antrieb besitzt eine Verstärkungsanlage 28, deren Eingangsklemmen parallel zu
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der Funkenstrecke geschaltet und deren Ausgangsklemmen an einen Umkehrmotor 29 angeschlossen sind.
Eine mechanische Kupplung 30 zwischen dem Motor und der Elektrode T vergrössert oder verkleinert die
Funkenstrecke in Übereinstimmung mit der Umlaufrichtung und Drehzahl des Motors. Die Arbeitsweise der Einrichtung ist folgende : Das elektrische Signal, das von dem passiven Funkenstreckennetzwerk bei Anlegung des Leit- oder
Steuerimpulses durch den Widerstand 17 und das Thyratron 18 hindurch abgeleitet wird, ergibt eine nutz- bare Information über den Elektrodenabstand. Ein verhältnismässig grosser Signalwert einer bestimmten
Polarität wird in zuverlässiger Weise während des Zustandes der normalen Funkenbearbeitung und nicht während des Zustandes eines Kurzschlusses oder eines offenen Stromkreises hergestellt.
Fig. 3. 4 und 5 ver- anschaulichen die Spannungs- und Strombedingungen in dem Funkenstreckennetzwerk während des Zu- standes eines unterbrochenen Stromkreises, eines Stromkreises für normale Schneidbearbeitung und bei
Kurzschluss.
Die Teile A, B und C jeder dieser Figuren veranschaulichen die Funkenstreckenspannung, den Ent- ladungsstrom bzw. das Funkenstreckeninformationssignal.
Bis der Überschlag auftritt, wird die Quellenspannung V15 (wobei V die Spannung und der Index das
Schaltungselement mit dieser Bezugsziffer in Fig. 2 darstellen) gemäss dem Verhältnis der Widerstände
R und R geteilt. Auf diese Weise kann die Funkenstreckenspannung V g vor dem Überschlag folgender- massen ausgedrückt werden :
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Bei den typischen Funkenbearbeitungsabständen, die erfahrungsgemäss kleiner als 0,025 mm liegen, werden gewöhnlich Durchschlag-oder Überschlagspannungen in der Grössenordnung von 50 bis 100 V verwendet. Es ist im allgemeinen erwünscht, dass die Spannung ausreicht, um Funkenüberschlag während des ersten Teiles des angelegten Impulses zu verursachen, bevor er seinen "Spitzenwert" erreicht hat. Bei- spielsweise ist der Scheitelwert von V15 gleich 1200 V, wenn die Quelle 10 400 Hz besitzt. Wenn R und Ru jeweils gleich 60 Q sind, beträgt die zwischen dem Spalt auftretende Höchstspannung 600 V. Bei einer Einstellung der Gitterspannung an dem Thyratron 18, das dieses bei 180 V zündet, wird die Hälfte dieses Wertes, angenähert 90 V, plötzlich an die Strecke während eines ersten Teiles der Spannungshalbperiode angelegt.
Wenn die Funkenstrecke genaue Länge hat, erfolgt der Durchschlag schnell und ausreichend vor dem Zeitpunkt, zu dem der angelegte Impuls seinen Scheitelwert erreicht hat. a) Offener Stromkreis (Leerlaufzustand). Fig. 3A zeigt die Funkenstreckenspannung während eines der angelegten Impulse. Die getrichelte Kurve V15 stellt eine positive HälfTe einer Sinuswelle dar, die auftritt, wenn die Quellenspannung parallel zum Kondensator 15 zur Zeit to einsetzt und zur Zeit tf aufhört.
DieKurveVg'st dieFunkenstreckenspannung, die beim Fehlen eines Überschlages gemäss dem Verhältnis der Widerstände RundR geteilt wird, wie zuvor beschrieben wurde. Die Kurve Vg ist eine Sinuswelle mit Ausnahme des vorderen Teiles, der nicht zur Zeit to mit der Quellenspannung V beginnt, sondern zu einer späteren Zeit t1, worauf die Funkenstreckenspannung schnell ansteigt bis zur Zeit t, wo sie die Sinuswellenhüllkurve von Vg erreicht.
Die Funkenstreckenspannung steigt nicht unmittelbar zurZeittlaufdenvollenSinuswellenwertan. da Energie erforderlich ist, um den Kondensator 22 in dem Funkenstreckennetzwerk durch Strom durch die kombinierten Widerstände R17 und R23 anfanglich zu laden. R 23 ist zweckmässigerweise klein mit Bezug auf R17 oder Ru'so dass die Ladezeitkonstante die schnelle Aufladung des Kondensators 22 während eines ersten Teiles des angelegten Steuerimpulses nicht verhindert.
Fig. 3B zeigt die Strombeziehungen. Es ist kein Funkenstreckenstrom ig vorhanden, da kein Überschlag auftritt. Die gestrichelte, mit i markierte Umrisslinie ist der Strom durch den Funkenstrecken-
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Kondensatorladestrom fliesst, wenn die Funkenstreckenspannung zunimmt, und ein kleiner Kondensatorenladestrom fliesst, wenn die Funkenstreckenspannung von dem Scheitelwert des Spannungsimpulses zur Zeit tf abnimmt. Der Schnittpunkt der Kurve i mit der waagrechten Achse in Fig. 2B markiert die allmähliche Änderung von dem Ladestrom zu dem Entladestrom. Der Kondensator entladet sich somit durch den kombinierten Wert der Widerstände 21 und 23, um den Kondensator für den nächsten Leitimpuls bereit zu halten.
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an dem Steuergitter des Leistungsthyratrons 16 zu erzeugen.
Während der offenen Stromkreisbedingungen . (Leerlaufzustand) der Fig. 3C ist die einzige negativ gerichtete Spannung an dem Widerstand 23 eine sich allmählich ändernde Spannung mit niedrigem Wert, die nicht ausreicht, um ein Steuergittersignal zu er- zeugen, so dass kein Leistungsimpuls ausgelöst wird. b) Normaler Bearbeitungsvorgang. Während des normalen Schneidens liegt die Spannung V r über der
Funkenstrecke, wie in Fig. 4A dargestellt ist, anfänglich so, wie in dem Zustand bei offenem Stromkreis, jedoch erfolgt bei ausreichend kleinemFunkenstreckenabstand der Durchschlag zur Zeit t3 normalerweise zwischen derzeit t. und dem Zeitpunkt, zu dem die Scheitelspannung vorhanden sein würde.
Zur Zeit t 3 fällt die Spannungskurve V g schnell auf einen Wert von rund 20 V, d. h. auf die lonisierungsspannung der Funkenstrecke. Diese Spannung bleibt bestehen, bis der Kondensator zur Zeit t entladen ist, und eine
Schwingneigung infolge des Einschlusses verteilter Induktivität in demKondensatorentladekreissperrt gewöhnlich den Impuls vor der Zeit tf.
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Stromimpulses geht tiber den Zeichnungsmassstab hinaus, und die Grösse des Stromes nähert sich stattdessen der Grösse des Stromes eines Kurzschlusskreises parallel zu dem geladenen Kondensator 15.
Die Art, auf welche der Leistungsimpuls 16 eingeschaltet wird, kann ferner aus Fig. 4B und 4C entnommen werden. Das Informationssignal der Fig. 4C (Strom in dem Funkenstreckenkondensator 22 und Spannung an dem zugeordneten Widerstand 23) entspricht dem Informationssignal der Fig. 3C während des offenen Stromkreiszustandes bis zum Zeitpunkt t, wenn Funkenüberschlag auftritt. Unmittelbar beim Überschlag fällt die Funkenstreckenspannung Vg auf den niedrigenionisierungswert der Funkenstrecke, und der Kondensator 22 entladet sich mit hoher Geschwindigkeit durch den verhältnismässig niedrigen Widerstand 23 und die ionisierte Strecke.
Diese Entladungszeitkonstante ist viel kürzer als diejenige, die in dem viel höheren kombinierten Gesamtwiderstand des Widerstandes 23 und des Funkenstreckenwiderstandes 21 vorhanden ist.
Diese plötzliche Entladung des Kondensators infolge Durchschlag der Funkenstrecke hat wesentliche
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mator 25 in den Gitterkreis des Leistungsimpulsschalters induziert wird, macht den Schalter sogleich leitend, so dass der Leistungsimpuls der Fig. 4B eingeleitet wird. c) Kurzschluss. Die Arbeitsweise ist so, wie in Fig. 5A, 5B und 5C angegeben ist. Da bei Kurzschluss das Funkenstreckennetzwerk überbrückt ist, tritt die gesamte Steuerimpulsspannung an dem Widerstand 17 auf. Da eineFunkenstreckenspannung während des Kurzschlusses fehlt, kann eine Ladespannung an dem v, g
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densator 22, dass keine Spannung an dem Widerstand 23 auftreten kann, so dass kein Signal des Leistungimpulsschalters 16 einschaltet.
Fig. 5C zeigt, dass das Funkenstreckeninformationssignal Null bleibt, wenn der Funkenstreckenkondensator weder geladen noch entladen wird.
Aus vorstehendem ergibt sich, dass der spitze Impuls, der durch die differenzierte Spannung an dem Widerstand 23 des von diesem und dem Kondensator 22 gebildeten RC-Gliedes dargestellt ist, eine sehr
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stabile und zuverlässige Steuerung liefert. Das Betätigungssteuersignal während des normalen Schneidvorganges hat grössere Amplitude als das Kurzschlusssignal einerseits und das Leerlaufsignal anderseits. Nur
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sogar auch dann, wenn der Leistungsimpulsschalter während der aufeinanderfolgenden Impulsperioden nicht geschlossen ist, falls der Kurzschluss bestehen bleibt. In keinem Falle beruht die Steuerung auf der Her- stellung eines Durchschnittswertes der Spannung oder des Stromes über aufeinanderfolgende Impulse, und es ist kein Vergleich mit einem voreingestellten Bezugssignal vorhanden. d) Elektrodenvorschub.
Es wird eine Eingangsspannung für einen Verstärker 28 nach Fig. 2 von der
Funkenstreckenspannung Vg als Durchschnittswert über mehrere Impulsperioden gebildet. Dieser zeitliche
Durchschnittswert kann elektrisch oder durch die Trägheit der mechanischen Antriebselemente hergestellt werden. Wenn die Funkenstrecke so gross ist, dass sie Leerlaufbetrieb, d. h. Betrieb bei offenem Stromkreis, ergibt, ist die Funkenstreckenspannung V g verhältnismässig hoch (Fig. 3A). Bei Kurzschluss ist die Funkenstreckenspannung V Null (Fig. 5A). Während des normalen Schneidvorganges hat die Funkenstrekkenspannung einen Zwischendurchschnittswert infolge des Spannungsabfalles beim Überschlag (Fig. 4A).
Der Spannungsbereich wird durch die Verwendung des Netzwerkes zum Ableiten eines Leistungsschaltersteuersignals nicht nachteilig beeinflusst.
Durch Vergleich der durchschnittlichen Funkenstreckenspannung mit einer Bezugsspannung, die der durchschnittlischen Funkenstreckenspannung für den normalen Arbeitszustand entspricht, wird ein Gleichstromfehlersignal, dessen Amplitude und Vorzeichen sich mit der Abweichung des Spaltabstandes von dem bei normaler Arbeit vorhandenen Abstand ändert, als Rückkopplungssignal erhalten. Dieses Signal wird an den Verstärker 23 angelegt, der den Werkzeugvorschubmotor 29 steuert. Im Idealfall schreitet das Elektrodenwerkzeug T mit genau der gleichen Geschwindigkeit fort, wie das Material von dem Werkstück W in der Bahn des Werkzeuges entfernt wird, jedoch treten Kurzschlussbedingungen infolge der Schwierigkeit einer genauen Folgebewegung oder der Anhäufung von leitenden Materialresten auf.
Die Auswahl der Bezugsspannung zum Einstellen des Antriebsvorschubes muss naturgemäss derart sein, dass die Funkenstrecke innerhalb des normalen Schnittbereiches gehalten wird, der durch die Grenzen des Leitimpulsleerlaufkreises bzw. des Leitimpulskurzschlusskreises bestimmt ist. Die Begrenzung des Bereiches der Funkenstreckenlänge zum Schneiden und zum Vermeiden eines nutzlosen Verbrauches von Impulsper10den kann dadurch ausgeglichen werden, dass man den Vorteil der getrennten Einstellung der Leitimpulsgrenzspannungen und der Elektrodenvorschubbezugsspannung ausnutzt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Funkenerosionsbearbeitung von elektrisch leitenden Stoffen durch elektrische Entladungen einer Energiequelle über den Bearbeitungsspalt zwischen einem Werkstück und einer Werkzeugelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Impulsgenerators (10,11, 14, 17 - 20) geringer Leistung Testentladungen in dem Bearbeitungsspalt (1) erzeugt werden, die über elektrische und Steuerelemente (23 - 27, 16) die Erzeugung von Entladungen der Energiequelle (15,16) nur auslösen, wenn die Bedingungen in dem Bearbeitungsspalt eine einwandfreie Arbeitsentladung ermöglichen (Fig. 2).