DE19922445A1 - Erodiervorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erodiervorrichtung mit einer Dielektrikumzuführungseinrichtung, die ein Dielektrikum in eine Arbeitszone am Werkstück einbringt, in der der Werkstoffabtrag durch Funkenerosion erfolgt. DOLLAR A Um bei einer derartigen Vorrichtung die Zuführung des Dielektrikums dahingehend auszugestalten, daß auch eine Senkerosion mit Elektroden ausführbar ist, deren Querschnitt kleiner als 100 mum ist, weist die Dieliktrikumzuführungseinrichtung Nebelerzeugungsmittel auf, die einen Nebel oder Dampf aus Dielektrikum erzeugen, der in die Arbeitszone eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Werkstoffabtrag bei einem Werkstück durch Funkenerosion mit einer Elektrode, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Damit ein Werkstoffabtrag durch Funkenerosion stattfinden kann, muß in einer Arbeitszone, in welcher dieser Werk­ stoffabtrag am Werkstück erfolgen soll, ein Dielektrikum vorhanden sein, das eine Funkenbildung zwischen Elektrode und Werkstück ermöglicht. Zu diesem Zweck weisen derartige Erodiervorrichtungen eine Dielektrikumzuführungseinrichtung auf, die das Dielektrikum in die Arbeitszone einbringt.

Bei einer Senkerodiervorrichtung wird eine Elektrode abwech­ selnd bis zur Erosionswirkung in die Arbeitszone am Werk­ stück abgesenkt und davon wieder angehoben. Mit Hilfe einer derartigen Senkerodiervorrichtung werden in das Werkstück Kavitäten, insbesondere Durchgangsfiguren oder -profile ein­ gebracht, deren Querschnitt aufgrund des Funkenspaltes etwas größer als der Querschnitt der verwendeten Elektrode ist. Die Bereitstellung von Dielektrikum erfolgt bei herkömmli­ chen Senkerodiervorrichtungen dadurch, daß sich das Werk­ stück beim Bearbeiten in einem Dielektriumsbecken befindet und in das Dielektrikum eingetaucht ist. Wenn die Arbeitszo­ ne nur sehr klein ist, kann eine ausreichende Bereitstellung von Dielektrikum auch dadurch realisiert werden, daß ein Zu­ führungskanal vorgesehen ist, der im Bereich der Arbeitszone endet und durch den das flüssige Dielektrikum tröpfchenweise in die Arbeitszone eingebracht wird.

Zur Ausbildung kleinster Kavitäten werden dementsprechend Elektroden mit kleinsten Durchmessern, insbesondere Elektro­ den mit einem Querschnitt kleiner als 100 µm verwendet. Je nach der erwünschten Eindringtiefe in das Werkstück, weisen die Elektroden eine langgestreckte Form auf, so daß diese bei kleinen Querschnitten als Rohr- oder Drahtelektroden oder als Profildraht oder -rohr bezeichnet werden können. Ein solcher Profildraht hat im einfachsten Fall einen kreis­ förmigen Querschnitt. Derartige langgestreckte Elektroden sind biegeempfindlich und deflektieren schon bei relativ kleinen Biegekräften. Hier bei ergibt sich das Problem, daß bereits ein in die Arbeitszone eingebrachter Tropfen aus Dielektrikum eine solche Elektrode deflektieren kann, worun­ ter die Genauigkeit der zu erzeugenden Öffnung leidet. Au­ ßerdem kann der gesamte Erodiervorgang durch Kurzschlußbil­ dung zum Erliegen kommen. Dieses Abdrängen der dünnen Elek­ trode kommt insbesondere dann zustande, wenn der Tropfen am Werkstück haftet und die Elektrode nur einseitig berührt. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit erzeugt dann Zug­ kräfte, die größer sind als die Biegesteifigkeit der Elek­ trode, so daß diese einseitig angezogen und deflektiert wird. Wenn sich das Elektrodenende dabei noch oberhalb des Eingangsbereiches der bereits zum Teil ausgebildeten Kavität befindet, kann die Auslenkung der Elektrode außerdem dazu führen, daß das Elektrodenende den Eingang der Kavität nicht mehr findet. Insbesondere besteht dabei die Gefahr, daß die Elektrode neben der Kavität mit dem Werkstück kollidiert, wobei sich die Elektrode bleibend verformen kann.

Der Bedarf, hochpräzise Mikroöffnungen in Werkstücken einzu­ bringen, nimmt insbesondere in der Medizintechnik, der Mi­ krosensorik, der Mikroelektronik, der Herstellung von Mikro­ fasern, der Fluidtechnik und der Mikrooptik zu, so daß ein erhöhtes Interesse daran besteht, allgemein bei Erodiervor­ richtung, insbesondere bei Senkerodiervorrichtungen für Elektroden mit minimalem Querschnitt, die Prozeßsicherheit zu erhöhen und den Aufwand zur Durchführung der Erodiertech­ nik, insbesondere der Mikroerodiertechnik, zu reduzieren.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, bei einer Erodiervorrichtung der eingangs genannten Art die Zuführung des Dielektrikums dahingehend auszugestalten, daß auch eine Senkerosion mit Elektroden ausführbar ist, deren Querschnitt kleiner als 100 µm ist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Die­ lektrikum fein dispers als Nebel oder als Dampf in die Ar­ beitszone einzubringen. Durch diese Maßnahme ist es einer­ seits möglich bei einer Senkerodiervorrichtung das Dielek­ trikum nahezu kräftefrei auf die Elektrode aufzubringen, so daß eine Ablenkung oder Auslenkung der biegeempfindlichen Elektrode aus ihrer Vorschubrichtung vermieden wird. Ande­ rerseits kann dadurch die Zufuhr des Dielektrikums hochgenau dosiert werden, so daß stets eine optimale Menge an Dielek­ trikum in die Arbeitszone eingebracht werden kann. Für eine durch Senkerosion in ein Werkstück einzubringende Öffnung kann somit auch für kleinste Elektrodenquerschnitte, z. B. bei Draht- oder Drahtprofilelektroden mit einem Elektroden­ querschnitt aus einem Bereich von 8 µm bis 40 µm, eine hohe Präzision gewährleistet werden. Derartig dünne Drahtelektro­ den werden beispielsweise zur Herstellung von Startöffnungen oder Startlöchern mit kleinsten Querschnitten zur Vorberei­ tung eines Drahterodierprozesses verwendet.

Entsprechend einer Weiterbildung kann die Dielektrikumzufüh­ rungseinrichtung Antriebsmittel aufweisen, die den Nebel oder den Dampf aus Dielektrikum zur Arbeitszone antreiben. Auf diese Weise ist es möglich, den Transport des Dielektri­ kums zur Arbeitszone von der Erzeugung des Nebels bzw. Damp­ fes lokal zu trennen, so daß die Dosierung des Dielektrikums verfeinert und dessen kräftefreie Zuführung zur Elektrode bzw. zur Arbeitszone verbessert werden kann.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung an­ hand der Zeichnungen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je­ weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kom­ binationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine vereinfachte Prinzipdarstellung in einer Sei­ tenansicht auf eine Erodiervorrichtung nach der Er­ findung,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Dielektrikumzufüh­ rungseinrichtung,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Dielektrikumzufüh­ rungseinrichtung,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer Dielektrikumzufüh­ rungseinrichtung,

Fig. 5 eine Ansicht von oben im Schnitt auf die Dielektri­ kumszuführung im Bereich einer Arbeitszone,

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform einer Dielektrikumzufüh­ rungseinrichtung und

Fig. 7 eine fünfte Ausführungsform einer Dielektrikumzufüh­ rungseinrichtung.

Entsprechend Fig. 1 weist eine Erodiervorrichtung 1, die hier beispielhaft als Senkerodiervorrichtung, insbesondere als Drahtsenkeroderiervorrichtung, ausgebildet ist, eine langgestreckte, dünne, stabförmige Elektrode 2 auf, die ein Rohr oder ein Draht sein kann und ein gewünschtes Profil bzw. Querschnittsprofil aufweist. Im folgenden wir die Elek­ trode 2 auch Profilelektrode oder Profildraht oder Draht ge­ nannt. Der Draht 2 wird mittels eines bidirektional arbei­ tenden Antriebs 3 abwechselnd bis zur Erosionswirkung in ei­ ne Arbeitszone 4 an einem Werkstück 5 abgesenkt und davon wieder abgehoben. Die bidirektionale Verstellbewegung ist durch einen Doppelpfeil a symbolisiert. Die Senkerodiervor­ richtung 1 weist eine Dielektrikumzuführungseinrichtung 6 auf, mit deren Hilfe das für die Funkenerosion erforderliche Dielektrikum in die Arbeitszone 4 eingebracht wird. Erfin­ dungsgemäß weist die Dielektrikumzuführungseinrichtung 6 zu diesem Zweck Nebelerzeugungsmittel 7 auf, die einen Nebel oder Dampf 8 aus Dielektrikum erzeugen und diesen in die Ar­ beitszone 4 einbringen. Durch diese Maßnahme erfolgt eine fein disperse Zuführung des Dielektrikums zum Profildraht 2 und in die Arbeitszone 4, wobei der Kontakt mit dem Draht 2 nahezu kräftefrei erfolgt, so daß eine Deflektion des Drah­ tes 2 wirkungsvoll vermieden werden kann. Die so ausgebilde­ te Dielektrikumzuführung in Form eines Dielektrikumnebels oder -dampfes 8 ermöglicht dadurch auch bei Drähten 2 mit einem Querschnitt kleiner als 100 µm, insbesondere bei Quer­ schnitten zwischen 50 µm und 10 µm, einen Erodierprozeß höchster Genauigkeit.

Es ist klar, daß für den Draht 2 Führungsmittel vorgesehen sind, die den Draht 2 bis in die Nähe des Werkstückes 5 axial führen. Derartige Führungsmittel sind jedoch zur Wah­ rung der Übersichtlichkeit in Fig. 1 weggelassen.

Die Senkerodiervorrichtung 1 weist außerdem eine Steuerung 31, die die Dielektrikumzuführungseinrichtung 6 in Abhängig­ keit von Prozeßparametern der Funkenerosion betätigt.

In den Fig. 2 bis 6 sind verschiedene Ausführungsformen für die Dielektrikumzuführungseinrichtung 6 wiedergegeben.

Entsprechend Fig. 2 sind bei einer ersten Variante der Die­ lektrikumzuführungseinrichtung 6 die Nebelerzeugungsmittel durch einen Ultraschallverdampfer oder Ultraschallvernebler 9 gebildet, der in einem Vorratsbehälter 10 untergebracht ist. Dieser Vorratsbehälter 10 wird über eine Versorgungs­ leitung 11 mit flüssigem Dielektrikum 12 befüllt. Der Ultra­ schallverdampfer 9 erzeugt Ultraschallschwingungen, die an der Oberfläche des Dielektrikums 12 kleinste Partikel ablö­ sen, wodurch sich der gewünschte Dampf 8 oder Nebel aus Die­ lektrikum bildet. Die Dielektrikumzuführungseinrichtung 6 verfügt hier außerdem über ein Gebläse 13 als Antriebsmittel durch das der Nebel 8 mit einer minimalen Luftströmung be­ aufschlagt wird, die bewirkt, daß der Nebel 8 aus der Die­ lektrikumzuführungseinrichtung 6 austritt und zur Arbeitszo­ ne 4 gelangt. Außerdem kann stromab des Ultraschallverdamp­ fers 9 ein Strömungshindernis 14 angeordnet sein, um größere Nebelpartikel aus der Strömung auszufiltern, während kleine­ re, zulässige Partikel das Strömungshindernis nahezu unge­ hindert durchdringen können.

Entsprechend Fig. 3 sind bei einer zweiten Variante der Die­ lektrikumzuführungseinrichtung 6 die Nebelerzeugungsmittel durch eine Zerstäubungseinrichtung 15 gebildet, die hier nach Art einer Venturi-Düse arbeitet. Zu diesem Zweck ist in der Dielektrikumzuführungseinrichtung 6 ein Reservoir 16 ausgebildet, das über eine Zuführungsleitung 17 mit flüssi­ gem Dielektrikum versorgt wird. Ein Tauchrohr 18 ragt in das flüssige Dielektrikum 12 ein und kommuniziert mit einem Un­ terdruckbereich der Düse 15, wodurch flüssiges Dielektrikum 12 angesaugt wird. Durch den Druckabfall stromab des Saug­ rohres 18 erfolgt dann die Zerstäubung am Austritt der Düse 15, so daß der gewünschte Nebel 18 aus der Dielektrikumzu­ führungseinrichtung 6 austritt. In einer Luftzuführungslei­ tung 19 wird dabei unter relativ hohem Druck Luft zur Düse 15 zugeführt und an dieser gedrosselt. Durch die Drosselwir­ kung wird dabei die Austrittsgeschwindigkeit des Nebels 8 aus der Dielektrikumzuführungseinrichtung 6 bestimmt, die vorzugsweise minimal eingestellt wird, um eine kräftefreie Dielektrikumzuführung zum Draht 2 bzw. zur Arbeitszone 4 zu erzielen.

Entsprechend Fig. 4 kann bei einer weiteren Variante der Ne­ belerzeuger in Form einer fluidischen Multivibratorschaltung 20 ausgebildet sein. Eine derartige Multivibratorschaltung 20 arbeitet wie folgt: Ein Flüssigkeitsstrahl wird durch ei­ ne Zuführungsleitung 21 in eine Kammer 22 eingeleitet und trifft auf eine keilförmige Spitze 23, die den eintretenden Strahl in eine linke Rückführungsleitung 24 und eine rechte Rückführungsleitung 25 einlenkt. Durch einen in die Kammer 22 mit entsprechenden, nicht dargestellten Mittel eingelei­ teten Druckstoß kann nun der Wasserstrahl so abgelenkt wer­ den, daß er beispielsweise ausschließlich entsprechend einer strichpunktierten Linie durch den linken Rückführungsleitung 24 strömt. Der Coandaeffekt sorgt dabei dafür, daß sich der Strahl nicht von selbst wieder in seine Mittelstellung zu­ rückverstellt. Sobald jedoch der Wasserstrahl am Ende der linken Rückführungsleitung 24 in die Kammer 22 eintritt be­ wirkt er einen Druckstoß, der den Wasserstrahl in die rechte Rückführungsleitung 25 umlenkt, so daß der Wasserstrahl aus­ schließlich dem mit unterbrochenen Linien dargestellten Strömungsweg folgt. Auf diese Weise wechselt der in die Kam­ mer 22 eintretende Strahl ständig zwischen den beiden Rück­ führungsleitungen 24, 25, wodurch eine hochfrequente Schwin­ gung erzeugt wird, was durch einen Doppelpfeil a angedeutet ist. Diese hochfrequente Schwingung oder Vibration führt zu einer Zerstäubung der eingeleiteten Flüssigkeit oder Nebel- bzw. Dampfbildung in der Kammer 22. Dieser Nebel 8 wird über einen Nebelauslaß 26 aus der Kammer 22 abtransportiert, wo­ bei entsprechende Transportmittel vorgesehen sind. Für die Abführung überschüssigen flüssigen Dielektrikums, das hier die in die Kammer 22 eingestrahlte Flüssigkeit bildet, sind entsprechende nicht dargestellte Entnahmeöffnungen vorgese­ hen.

An die Mündungsbereiche der in den Fig. 2, 3 und 4 darge­ stellten Dielektrikumzuführungseinrichtungen 6 kann enstpre­ chend Fig. 5 eine Nebelleiteinrichtung 32 angeschlossen sein, die eine zylindrische Nebelkammer 33 aufweist. Diese Nebelkammer 33 ist an ihren axialen Enden offen, so daß der Draht 2 koaxial durch die Nebelkammer 33 hindurchführbar ist. Die Längsachse der Nebelkammer 33 und die des Drahtes 2 stehen dabei senkrecht auf der Zeichnungsebene. Der Nebel 8 wird noch im Bereich der Nebelerzeugung mit einer relativ schwachen Strömung beaufschlagt, die den Nebel 8 entspre­ chend Pfeilen a einem Mündungsspalt 34 zuleitet. Der Mün­ dungsspalt 24 erstreckt sich axial entlang der Nebelkammer 33 und ermöglicht einen tangentialen Eintritt des Nebels 8 in die Nebelkammer 33, in der sich dann eine durch Pfeile b symbolisierte schwache Wirbelströmung ausbildet. Diese ge­ richtete Rotation des Nebels 8 konzentrisch zum Draht 2 hat zur Folge, daß ggf. auftretende Strömungskräfte am Umfang des Drahtes 2 gleichmäßig angreifen, so daß sich diese Kräf­ te gegenseitig aufheben und keine Auslenkung des Drahtes 2 aus seiner Axialrichtung bewirken können. Es ist klar, daß diese Wirbelströmung mit minimalen Strömungsgeschwindigkei­ ten realisiert wird, um eine Zentrifugalwirkung innerhalb der Nebelkammer 33 zu vermeiden, welche die Nebelpartikel durch Fliegkraftwirkung radial nach außen abdrängen würde. Der sich in der Nebelkammer 33 ansammelnde Nebel oder Dampf 8 gelangt so ohne Kraftübertragung auf den Draht 2 in die Arbeitszone 4.

Entsprechend den Fig. 6 und 7 kann die Dielektrikumzufüh­ rungseinrichtung 6 eine Ringkammer 27 bzw. 28 aufweisen, die gemäß Fig. 5 auf dem Werkstück 5 aufliegen oder gemäß Fig. 6 in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes 6 angeordnet sein kann. Die Ringkammer 27, 28 umschließt dabei den Draht 2 koaxial.

Gemäß Fig. 6 weist die Ringkammer 27 Nebelaustrittsöffnungen 29 auf, die einen Dampfaustritt in Richtung Draht 2 ermögli­ chen. Der Dampf 8 kann dabei axial nach oben und/oder axial nach unten und/oder radial nach innen aus den dementspre­ chend angeordneten Dampfaustrittsöffnungen 29 austreten. Der Dampf 8 kann bei einer derartigen Ausführungsform an einer anderen Stelle erzeugt werden und über entsprechende An­ triebsmittel und Leitungen dem Ring 27 zugeleitet werden. Durch die geeignete Dimensionierung der Dampfaustrittsöff­ nungen 29 kann der Dampf 8 nahezu strömungsfrei in die Ar­ beitszone 4 gelangen.

Gemäß Fig. 7 kann die Ringkammer 28 einen beispielsweise ringförmigen Wandabschnitt 30 aufweisen, der aus einem porö­ sen Material besteht. Im Inneren der Ringkammer 28 kann dann flüssiges Dielektrikum 12 mit einem relativ hohen Druck be­ aufschlagt werden, mit der Folge, daß das Dielektrikum durch den Wandabschnitt 30 fein dispers austritt und den gewünsch­ ten Nebel 8 bildet, der sich außerdem in Richtung Draht 2 bzw. zur Arbeitszone 4 bewegt. Die Ringkammer 28 kommuni­ ziert zu diesem Zweck mit entsprechenden Druckerzeugungsmit­ teln sowie mit einer Dielektrikumszuführungsleitung. Der po­ röse Wandabschnitt 30 ist hier radial nach innen sowie axial nach unten zur Arbeitszone 4 und zum Draht 2 hin orientiert.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Werkstoffabtrag bei einem Werkstück (5) durch Funkenerosion mittels einer Elektrode (2), mit einer Dielektrikumzuführungseinrichtung (6), die ein Dielektrikum in eine Arbeitszone (4) am Werkstück (5) einbringt, in der der Werkstoffabtrag durch Funkenerosion erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumzuführungseinrichtung (6) Nebelerzeu­ gungsmittel (7) aufweist, die einen Nebel oder Dampf (8) aus Dielektrikum erzeugen, der in die Arbeitszone (4) einge­ bracht wird.

2. Erodiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumzuführungseinrichtung (6) Antriebsmittel (13) aufweist, die den Nebel oder Dampf (8) zur Arbeitszone (9) antreiben.

3. Erodiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung vorgesehen ist, die die der Arbeitszone (4) zugeführte Menge an Nebel oder Dampf (8) in Abhängigkeit von Parametern des Funkenerosionsprozeßes einstellt.

4. Erodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) einen Querschnitt aufweist, der klei­ ner als 100 µm, insbesondere kleiner als 50 µm, ist.

5. Erodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode durch einen Draht (2) gebildet ist.

6. Erodiervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodenantriebseinrichtung (3) vorgesehen ist, welche die Elektrode (2) in ihrer Längsrichtung abwechselnd bis zur Erodierwirkung in die Arbeitszone (4) am Werkstück (5) absenkt und davon wieder anhebt.

7. Erodiervorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebelerzeugungsmittel (7) einen Ultraschallverdamp­ fer oder Ultraschallvernebler (9) und/oder einen fluidischen Multivibrator (20) und/oder eine Zerstäubungsdüse (15) zum Verdampfen oder Vernebeln des Dielektrikums aufweisen.

8. Erodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (13) mit fluidischer Niederdrucktech­ nik und/oder mit Konvektionswirkung arbeiten.

9. Erodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel ein Gebläse (13) aufweisen.

10. Erodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter, in deren Abhängigkeit die der Arbeitszone (4) zugeführte Nebel- oder Dampfmenge gesteuert wird, durch den Erodierfortschritt und/oder die Elektrodengröße und/oder den Elektrodendurchmesser gebildet sind.