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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung
zum Bearbeiten eines elektrisch leitenden Werkstücks, bei dem Material des Werkstücks mittels
Elektroerosion abgetragen wird.
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Elektroerosion,
insbesondere die Funkenerosion, beruht auf einem Materialabtrag
oder einer Materialwanderung zwischen elektrisch leitenden Kontakten.
Ein elektrisch leitender Kontakt ist durch ein Werkstück gebildet.
Ein weiterer Kontakt ist durch ein formgebendes Werkzeug gebildet,
z.B. durch einen Draht. Das Werkzeug wird nahe an das Werkstück herangeführt, ohne
dieses zu berühren.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Werkzeug
und dem Werkstück
wird kurzzeitig ein Lichtbogen oder ein Funken erzeugt, der geeignet
ist, Material aus dem Werkstück
zu lösen
und somit abzutragen. Ist das Werkzeug beispielsweise ein dünner Draht,
der in axialer Richtung hin zu dem Werkstück nachgeführt wird, dann können in
dem Werkstück
Bohrungen eingebracht werden, die beispielsweise einen Durchmesser
von weniger als einem Millimeter aufweisen, z.B. von 0,2 Millimetern.
Solche Bohrungen sind beispielsweise als Drosselbohrungen in Einspritzventilen
von Brennkraftmaschinen ausgebildet. Das Ausbilden solcher Drosselbohrungen
ist sehr zeitaufwändig,
insbesondere bei einer Massenfertigung.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die einfach und zuverlässig ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Bearbeiten eines elektrisch leitenden Werkstücks. Material
des Werkstücks
wird mittels Elektroerosion abgetragen. Dem Werkstück oder
einem an das Werkstück
angrenzenden Arbeitsmedium wird Energie in Form von Ultraschall
zugeführt.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Erodieren beschleunigt
ablaufen kann, wenn dem Werkstück
zusätzlich
zu der elektrischen Energie, die während des Erodierens zugeführt wird, Energie
in Form von Ultraschall zugeführt
wird. Der Ultraschall kann das Abtragen des Materials von dem Werkstück und das
Entfernen des abgetragenen Materials aus einem Bearbeitungsbereich
des Werkstücks
unterstützen
und somit beschleunigen. Dem Werkstück oder dem Arbeitsmedium kann
sehr einfach Ultraschall zugeführt
werden. Ferner kann das Abtragen des Materials des Werkstücks sehr
zuverlässig
erfolgen. Das Werkstück
kann so auch bei einer Massenfertigung in hoher Qualität hergestellt werden.
Durch das Beschleunigen des Erodierens kann eine Taktzeit für das Bearbeiten
des Werkstücks
verringert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dem Werkstück der Ultraschall über eine Haltevorrichtung
zugeführt,
in der das Werkstück
gehalten wird. Der Vorteil ist, dass das Werkstück zum Schwingen angeregt wird
und so auch an schwer zugänglichen
Stellen des Werkstücks,
insbesondere in sehr fein auszubildenden Drosselbohrungen, die Energie
des Ultraschalls wirken kann. Ferner muss dem Werkstück das Arbeitsmedium
nur in dem Bearbeitungsbereich zugeführt werden. Insbesondere muss das Werkstück nicht
vollständig
in das Arbeitsmedium eingetaucht werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dem
Werkstück
oder dem Arbeitsmedium der Ultraschall während des Elektroerodierens
zugeführt.
Dadurch kann das Abtragen des Materials durch das Erodieren unterstützt und
beschleunigt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt der
Ultraschall an einer Oberfläche
des Werkstücks
in dem Bearbeitungsbereich zu einer Kavitation des Arbeitsmediums.
Der Vorteil ist, dass durch das Bilden von Gasblasen an der Oberfläche des
Werkstücks
durch die Kavitation des Arbeitsmediums das Ablösen des Materials von dem Werkstück besonders
wirkungsvoll unterstützt
wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Bearbeiten eines elektrisch leitenden Werkstücks,
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2 eine
zweite Ausführungsform
der Vorrichtung,
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3 eine
dritte Ausführungsform
der Vorrichtung und
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4 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bearbeiten eines elektrisch
leitenden Werkstücks.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Eine
Vorrichtung umfasst einen Behälter 1, der
gefüllt
ist mit einem Arbeitsmedium 2 (1). Das
Arbeitsmedium 2 ist vorzugsweise elektrisch isolierend,
z.B. deionisiertes Wasser. An mindestens einer Seitenwand des Behälters 1 ist
ein Ultraschallwandler 3 angeordnet. Der Ultraschallwandler 3 ist
so angeordnet und ausgebildet, dass dem Arbeitsmedium 2 Energie
in Form von Ultraschall durch Anregen des Arbeitsmediums 2 zu
Ultraschallschwingungen zugeführt
werden kann. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Haltevorrichtung 4,
die so ausgebildet ist, dass in dieser ein Werkstück 5 gehalten
werden kann. Das Werkstück 5 besteht
aus einem elektrisch leitenden Material, z.B. aus Stahl. Das Werkstück 5 ist
beispielsweise ein Teil eines Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner eine Elektrode 6, die ein formgebendes
Werkzeug bildet und die durch eine Elektrodenführung 7 an den Bearbeitungsbereich
des Werkstücks 5 geführt werden
kann. Die Elektrode 6 wird vorzugsweise so geführt, dass sie
das Werkstück 5 nicht
berührt.
Das Werkstück 5 ist
vorzugsweise so in dem Arbeitsmedium 2 angeordnet, dass
das Arbeitsmedium 2 an den Bearbeitungsbereich des Werkstücks angrenzt
und sich zwischen dem Bearbeitungsbereich des Werkstücks 5 und
der Elektrode 6 befindet.
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Zwischen
der Elektrode 6 und dem Werkstück 5 herrscht eine
elektrische Spannung, die so groß ist, dass vorzugsweise kurzzeitig
ein Lichtbogen oder ein Funken zwischen der Elektrode 6 und
dem Werkstück 5 entsteht.
Durch den Lichtbogen oder durch den Funken, d.h. durch die in das
Werkstück 5 eingebrachte
elektrische Energie, wird Material des Werkstücks 5 in dem Bearbeitungsbereich
aus dem Werkstück 5 herausgelöst und abgetragen.
Dies wird auch Elektroerosion oder Funkenerosion oder kurz Ero sion,
genannt. Durch ein geeignetes Positionieren der Elektrode 6 und
des Werkstücks 5 zueinander
kann so das Werkstück 5 bearbeitet
werden. Insbesondere kann durch axiales Nachführen der Elektrode 6,
die beispielsweise drahtförmig
ausgebildet ist, eine Ausnehmung oder Bohrung in dem Werkstück 5 ausgebildet
werden, die als eine hydraulische Drosselbohrung geeignet ist. Ein
Durchmesser einer solchen Drosselbohrung kann beispielsweise weniger
als einen Millimeter betragen, z.B. etwa 0,2 Millimeter. Die Elektrode 6 kann
auch als ein dünner Hohlzylinder
ausgebildet sein. Durch den lichten Querschnitt des Hohlzylinders
kann dann beispielsweise das Arbeitsmedium 2 zu dem Bearbeitungsbereich
geführt
werden, um abgetragenes Material des Werkstücks 5 wegzuspülen.
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Durch
das Einbringen des Ultraschalls in das Arbeitsmedium 2 kann
Material des Werkstücks 5, das
durch das Erodieren abgetragen wurde und gegebenenfalls noch an
dem Werkstück 5 haftet,
von dem Werkstück 5 gelöst und mit
dem Arbeitsmedium 2 weggeschwemmt werden. So kann der Bearbeitungsbereich
des Werkstücks 5 von
abgetragenem Material gereinigt und freigehalten werden, so dass das
abgetragene Material ein weiteres Erodieren nicht beeinträchtigen
kann.
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Wird
der Ultraschall während
des Erodierens zusätzlich
eingebracht, d.h. während
der Lichtbogen- oder Funkenbildung durch die elektrische Energie, dann
kann dadurch das Abtragen des Materials des Werkstücks 5 beschleunigt
werden durch Zusammenwirken der elektrischen Energie und der Ultraschallenergie.
Das Material kann so besonders gut von dem Werkstück 5 abgetragen
werden. Das Erodieren kann so beschleunigt werden. Dies ist insbesondere
vorteilhaft, wenn das Erodieren in der Massenfertigung genutzt wird
und so eine Taktzeit für
das Bearbeiten des Werkstücks 5 reduziert
werden kann. Ferner kann durch die reinigende Wirkung des Ultraschalls
eine besonders hohe Qualität
des Werkstücks 5 erreicht
werden.
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Der
Ultraschall weist vorzugsweise eine Frequenz von mindestens 20 Kilohertz
auf, z.B. von etwa 20 Kilohertz oder von etwa 40 Kilohertz. Vorzugsweise
ist die Energie des Ultraschalls so hoch, z.B. etwa 20 Watt pro
Liter des Arbeitsmediums 2, dass an dem Werkstück 5,
insbesondere in dem Bearbeitungsbereich des Werkstücks 5,
Kavitation des Arbeitsmediums 2 auftritt. Durch die Kavitation
entstehen Gasblasen an der Oberfläche des Werkstücks 5 durch
lokales Verdampfen des Arbeitsmediums 2. Dabei können lokal
Drücke
von z.B. mehr als 1000 Bar hervorgerufen werden. Durch das Ausdehnen
der Gasblasen und durch die hohen Drücke an der Oberfläche des
Werkstücks 5 wird
das abgetragene Material und andere Partikel, die an dem Werkstück 5 haften,
von der Oberfläche
des Werkstücks 5 gelöst, so dass
diese mittels des Arbeitsmediums 2 von dem Werkstück 5 weggespült werden
können.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
der Vorrichtung dargestellt, die sich von der in 1 dargestellten
Ausführungsform
dadurch unterscheidet, dass der Ultraschallwandler 3 an
einem Boden des Behälters 1 angeordnet
ist, d.h. dass der Ultraschallwandler 3 das Werkstück 5 aus
einer anderen Richtung beschallt. Es kann auch jeweils an dem Boden und
in der Seitenwand des Behälters 1 ein
Ultraschallwandler 3 angeordnet sein. Es können auch mehrere
Ultraschallwandler 3 an dem Boden und/oder an den Seitenwänden des
Behälters 1 angeordnet
sein. Eine günstige
Anordnung der Ultraschallwandler 3 ist abhängig von
einer Größe des Werkstücks 5 und
des Behälters 1 und
von einer Lage des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks 5 in Bezug
auf den bzw. die Ultraschallwandler 3. So kann es vorteilhaft
sein, ein möglichst
gleichmäßiges Ultraschallfeld
in dem Arbeitsmedium 2 aus zubilden. Dann herrscht an jeder
Stelle des Arbeitsmediums 2 etwa die gleiche Ultraschallenergie
vor. Es kann jedoch ebenso vorteilhaft sein, den Ultraschall auf
das Werkstück 5,
insbesondere auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks 5,
zu fokussieren, so dass die Ultraschallenergie an dem Werkstück 5 bzw.
an dem Bearbeitungsbereich des Werkstücks 5 besonders groß ist.
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In 3 ist
eine dritte Ausführungsform
der Vorrichtung dargestellt. Der Ultraschallwandler 3 ist mechanisch
so mit der Haltevorrichtung 4 gekoppelt, dass die Ultraschallenergie
von dem Ultraschallwandler 3 über die Haltevorrichtung 4 auf
das Werkstück 5 übertragen
wird, ohne dass das Arbeitsmedium 2 zum Übertragen
der Ultraschallenergie genutzt wird. Dadurch ist das Arbeitsmedium 2 nicht
mehr zum Übertragen
der Ultraschallenergie erforderlich. Das Werkstück 5 muss daher nicht
in dem Arbeitsmedium 2 angeordnet werden. Die Vorrichtung
umfasst eine Medienzuführung 8, über die
dem Werkstück 5,
insbesondere dem Bearbeitungsbereich des Werkstücks 5, das Arbeitsmedium 2 zugeführt wird, so
dass das Werkstück 5 von
dem Arbeitsmedium 2 benetzt ist. Das Arbeitsmedium 2 kann
dem Bearbeitungsbereich jedoch auch durch die Elektrode 6 zugeführt werden,
falls diese beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist.
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Das
Erodieren erfolgt wie bei der ersten oder der zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung. Jedoch ist das Werkstück 5 durch den Ultraschallwandler 3 zum
Schwingen angeregt. Dadurch kann der Ultraschall auch an schwer
zugänglichen
Stellen des Werkstücks 5 ungedämpft wirken,
z.B. in der auszubildenden Drosselbohrung. Ferner kann abgetragenes
Material des Werkstücks 5 oder
sonstige Partikel, die an dem Werkstück 5 haften, durch
die Vibration des Werkstücks 5 mit
Ultraschallfrequenz von dem Werkstück 5 abgelöst und von
dem Arbeitsmedium 2 weggespült werden. Das Erodieren kann
so ebenso beschleunigt sein wie in der ersten oder der zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung. An der Oberfläche
des Werkstücks 5 kann
ebenso bevorzugt Kavitation des Arbeitsmediums 2 erzeugt
werden.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bearbeiten des Werkstücks 5.
Das Verfahren beginnt in einem Schritt S1. In einem Schritt S2 wird
das Werkstück 5 in
die Haltevorrichtung 4 eingespannt. In einem Schritt S3
wird das Werkstück in
das Arbeitsmedium 2 eingetaucht oder wird dem Werkstück, zumindest
in dem Bearbeitungsbereich des Werkstücks 5, das Arbeitsmedium 2 zugeführt. In einem
Schritt S4 wird der Ultraschallwandler 3 zum Schwingen
und zur Abgabe von Ultraschallwellen an das Arbeitsmedium 2 und/oder
an das Werkstück 5 angeregt.
In einem Schritt S5 wird das Werkstück 5 in dem Bearbeitungsbereich
erodiert. Das Verfahren endet in einem Schritt S6, wenn das Erodieren
beendet ist. Das Zuführen
der Ultraschallenergie und des Arbeitsmediums 2 kann dann
beendet werden und das Werkstück 5 kann
aus der Haltevorrichtung 4 entnommen werden.
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Das
Verfahren kann so durchgeführt
werden, dass die Ultraschallenergie während des Erodierens zugeführt wird.
Es ist jedoch ebenso möglich,
das Zuführen
der Ultraschallenergie in dem Schritt S4 und das Erodieren in dem
Schritt S5 abwechselnd voneinander durchzuführen. Durch das Erodieren wird Material
von dem Werkstück 5 abgetragen
und anschließend
durch den Ultraschall abgelöst
und von dem Arbeitsmedium 2 weggespült. Dann wird wieder Material
von dem Werkstück 5 durch
Erodieren abgetragen und anschließend durch den Ultraschall
abgelöst
und durch das Arbeitsmedium 2 weggespült. Die Schritte S4 und S5
können
sich somit so oft wiederholen, bis das Werkstück 5 fertig bearbeitet
ist.