DE2404857C2

DE2404857C2 - Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Diamant, durch Funkenerosion

Info

Publication number: DE2404857C2
Application number: DE2404857A
Authority: DE
Inventors: Cornelis Van Osenbruggen; Johannes van Eindhoven Ruler; Theodorus Maria Berendina Schoenmakers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-02-07
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1984-06-07
Also published as: GB1452218A; DE2404857A1; JPS5722883B2; CH578399A5; FR2216055B1; NL7301683A; FR2216055A1; ZA74681B; JPS49111889A; BE810638A

Description

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Diamant, durch Funkenerosion.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Diamant, durch Funkenerosion in einer dielektrischen Flüssigkeit.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (US-PS 29 39 941) wird ein zu bearbeitender Diamant mit einer leitenden Graphitschicht versehen, indem der Diamant in einer nichtoxidierenden Flamme erhitzt wird, bis die Giaphiiierungstemperatur erreicht ist, wonach unter nichtoxidierenden Bedingungen vorsichtig abgekühlt wird. Die ganze Oberfläche des Diamanten wird dabei in Graphit umgewandelt. Es ist auch möglich, die Oberfläche des Diamanten in einer eine Kohlenstoffverbindung enthaltenden Atmosphäre pyrolytisch mit einer leitenden Kohlenstoffschicht zu versehen.

Zur funkenerosiven Bearbeitung werden sodann Spannungsimpulse von einer RC-Klppschaltung zwischen einer auf der leitenden Schicht ruhenden Elektrode und der leitenden Oberfläche angelegt. Der Diamant befindet sich in einer dielektrischen Flüssigkeit.

Die Temperatur an der Kontaktstelle steigt durch direkten Stromdurchgang schnell auf einen derart hohen Wert an, daß die Graphitschicht verdampft. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Graphitschicht zwischen der Elektrode und dem Diamanten verschwunden ist, findet ein Funkenüberschlag über die freigelegte Dlamantoberfläche statt. Die Temperatur steigt örtlich bis oberhalb 3000° C, an, wodurch eine kraterförmlge Öffnung in der Diamantoberfläche durch Verdampfung gebildet wird. Der Boden der kraterförmlgen Öffnung besteht aus Graphit, well die örtliche Temperatur oberhalb 1700° C (Umwandlungstemperatur Diamant-Graphit) gelegen hat. Die Elektrode kommt nun auf der neu gebildeten Graphitschicht zur Anlage, wonach sich der Vorgang wiederholt.

Die dielektrische Flüssigkeit dient zur Beschränkung der Ausbreitung des Funkenkanals, so daß zwischen der Elektrode und dem Werkstück hohe Stromdichten auftreten können, wobei diese Flüssigkeit außerdem als Kühlmittel und als Transportmittel für die von dem Werkstück und der Elektrode abgeschlagenen Teilchen dient. Als dielektrische Flüssigkelten werden Petroleum, Kerosin, Tetrachlorkohlenstoff, Trichloräthylen, Tetralin, Olivenöl und Paraffinöl verwendet. Die genannten Flüssigkeiten sind im allgemeinen nichtleitend, bis die Durchschlagfeldstärke erreicht wird, entionisieren nach dem Durchschlag schnell, sind dünnflüssig und weisen einen hohen Flammpunkt auf.

Das bekannte Verfahren weist mehrere Nachteile auf. Ein Funkenüberschlag findet gewöhnlich erst bei verhältnismäßig hoher Spannung statt. Dadurch wird bei jedem Funkenüberschlag viel Entladungsenergie frei, wodurch die bearbeiteten Oberflächen verhältnismäßig rauh werden. Die Formgenauigkeit läßt zu wünschen übrig und ist bei Diamanten auch von der Kristallorientierung abhängig.

is Die bei dem Funkenüberschlag gebildete Graphitschicht ist bei Diamanten nicht regelmäßig; dadurch ergeben sich Verzugsstrombahnen für die Ableitung der Ladung, die sogenannte Abnutzungsnuten i" dem Werkstück zur Folge haben.

Die bei dem bekannten Verfahren verwendete Elektrode ist starker Abnutzung ausgesetzt. Öffnungen geringer Abmessungen können nicht erzeugt werden; Elektroden mit dem dazu notwendigen kleinen Durchmesser werden verformt, wenn sie mit der für den Vorgang not-

-5 wendigen Kraft gegen die zu bea/beitende Oberfläche gedrückt werden.

Die Erfindung hat die Aufgabe, das bekannte Verfahren derart zu verbessern, daß die genannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die dielektrische Flüssigkeit in an sich bekannter Weise eine wäßrige Elektrolytlösung und einen oberflächenaktiven Stoff enthält, daß die Menge des oberflächenaktiven Stoffes zumindest der kritischen Micellenkonzentration entspricht, und die wäßrige Elektrolytlösung in einer Menge, die, auf die Menge an dielektrischer Flüssigkeit bezogen, 0,5 bis 10 Vol.-% beträgt, im solubilisierten Zustand enthalten ist.

Unter Solubilisierung ist das Lösen eines Stoffes in einem Lösungsmittel zu verstehen, in dem der Stoff normalerweise nicht löslich ist. Dabei wird das sogenannte Solubillsat, im vorliegenden Falle die wäßrige Elektrolytlösung, in Micellen aufgenommen, die durch einen oberflächenaktiven Stoff In der. dielektrischen Flüssigkeit gebildet werden. Es versteht sich, daß die Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes in der dielektrischen Flüssigkeit größer als die kritische Micellenkonzentration sein muß. Als dielektrische Flüssigkeit können die ObIl-

chen dielektrischen Flüssigkeiten vepvendet werden, von denen bereits mehrere Beispiele erwähnt wurden.

Bei der funkenerosiven Bearbeitung von leitenden Werkstücken Ist es an sich bekannt, Wasser-in-Öl-Emulsionen als dielektrische Flüssigkeit zu verwenden (US-PS 29 96 602). Derartige Emulsionen sind wegen ihrer großen Emulslonstropfen ungünstig. Es werden keine Micellen gebildet und eine Solubilisierung findet nicht statt.

Die bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendete Emulsion Ist transparent oder halbtransparent, well die Tropfen der emulgierten Elektrolytlösung Abmessungen aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes sind. Nachstehend wird diese Flüssigkeit als »Mlkroemulslon« bezeichnet. Die Menge an Elektrolytlösung, die unter Bildung einer Mlkroemulsion in der dl-

elektrischen Flüssigkeit verteilt werden kann. Ist von der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes abhängig und kann von Fall zu Fall leicht durch Versuche ermittelt werden. Versuche haben ergeben, daß die Menge an

Elektrolytlösung, bezogen auf die Menge an dielektrischer Flüssigkeit, nicht mehr als 10 Vol.-% und vorzugsweise weniger als 5 Vol.-« betragen soll. Ein brauchbarer Effekt tritt bei Mengen von etwa 0,5 Vol.-% an auf". Der elektrische Widerstand der Mikroemulsion weicht nur in geringem Maße vom elektrischen Widerstand der durch die dielektrische Flüssigkeit gebildeten kontinuierlichen Phase ab. Die Durchschlagfeldstärke ist aber niedriger als die der dielektrischen Flüssigkeit.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ver-(ahrens lsi der, daß es weder erforderlich ist, die Elektrode auf der zu bearbeitenden Oberfläche aufliegen zu lassen, noch sie gegen diese Oberfläche zu drücken. Dadurch wird eine größere Formgenauigkeit der anzubringenden Öffnung erzielt. Ein anderer sich daraus ergebender Vorteil besteht darin, daß Öffnungen mit einem kleineren Durchmesser als bei dem bekannten Verfahren erhalten werden können, weil die Starrheit der Elektrode nur noch eine untergeordnete Rolle spielt.

Die in der Mikroemulsion vorhandenen, das Solubilisat enthaltenden MicaÜen bewegen sich in dem elektrischen Feld zwischen det Elektrode und dem Diamanten zu den Stellen, an denen die höchste Feldstärke auftritt. Dadurch wird die Feldstärke in der dielektrischen Flüssigkeit örtlich noch weiter vergrößert. Infolge der lawinenartigen Zunahme der Feldstärke zwischen der Elektrode und dem Diamanten findet schnell ein Durchschlag statt. Ein zweiter sehr überraschender Effekt der Mikroemulsion ist der, daß die neu gebildete Oberfläche des Werkstückes derart gut leitend ist, daß die Bildung J" von Vorzugsstrombahnen und Abnutzungsnuten effektiv verhindert wird. Dies wird wahrscheinlich dadurch herbeigeführt, daß beim Durchschlag das Solubüisat aus den Micellen ausgelöst wird und -Jen ühi/ die nichtleitende Oberfläche ausbreitet, diese bei.ec.t, dabei die dielektri- a sehe Flüssigkeit von der Oberfläche ν ldrängt und auf diese Welse eine leitende Schicht auf der nichtleitenden Oberfläche des Werkstückes biidet.

Die Bearbeitungszeit wird außerdem verkürzt, wäh-

Tabelle I

rend die Abnutzung der Elektrode verringert wird. Es stellt sich heraus, daß die Kristallorientierung des Diamanten dabei die Formgenauigkeit nicht beeinflußt.

Bei allen Bearbeitungen, die durch Funkenerosion vorgenommen werde» können, z. B. beim Bohren von Löchern, beim Ausbohren von Zylindern mit hohlen Elektroden und beim Sägen mit drahtförmigen Elektroden, kann das Verfahren nach der Erfindung angewandt werden.

Versuche haben ergeben, daß bei Anwendung einer üblichen Emulsion, bei der die Elektrolytlösung nicht in Micellen aufgenommen ist, die durch den oberflächenaktiven Stoff gebildet werden, und bei der die Tropfen der Elektrolytlösung einen Durchmesser von mehr als 1 μπι aufweisen, ebenfalls anfänglich der durch die Erfindung angestrebte Effekt auftritt. Es stellt sich aber heraus, daß eine derartige Emulsion unter den Bedingungen, die bei der Bearbeitung durch Funkenerosion auftreten, ausflockt, wodurch sie schnell unbrauchbar wird.

Die bei dem Verfahren nach der Erfindung anzuwendenden Mikroemulsionen können im allgemeinen mit oberflächenaktiven Stoffen, wie Alicylammoniumsalzen, Salzen von Aminen mit einer Ci₂- oder einer längeren Alkylkette, Seifen von Alkylaminen, Sulfosuccinaten, Alkylarylsulfonaten und nlchtionogenen oberflächenaktiven Stoffen, hergestellt werden, wobei der hydrophile Teil der letzteren Stoffe aus einer Polyoxyäthylenkette besteht und der hydrophobe Teil eine Alkyl- oder Alkylarylkette enthalten kann.

In der Tabelle I sind eine Anzahl oberflächenaktiver Stoffe mit der HLB-Zahl und dem Handelsnamen erwähnt, mit denen brauchbare Mikroemulsionen hergestellt werden können. Die HLB-Zahl (hydrophilic-lipophilic-balance) ist ein Maß für das Verhältnis zwischen den Anziehungskräften, die die beiden Phasen (normalerweise Öl und Wasser) auf einen oberflächenaktiven Stoff ausüben (POE in der Tabelle steht für Polyoxyäthylen).

Oberflächenaktiver Stoff

POE-Lauryläther

POE-Sorbitolmonooleat

POE-Sorbltolhexaoleat

POE-Scrbltoitristearat

POE-Sorbltolpentalaurat

POE-Oleyläther

POE-Sorbitalester eines

Gemisches von

Fett- und Harzsäuren
Na-Dl(2-äthylhexyI)-sulfosuccinat
Na-Dltridecylsulfosucclnat

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Aus führungsbelspiele näher erläutert.

I. AusfOhrungsbeispiele

von dielektrischen Flüssigkeiten

Mikroemulsion A

In 600 ml Kerosin wurde 30 g Polyoxyäthylensorbltolhexaoleat mit einer HLB-Zahl von 10,2 gelöst. Dieser Lösung wurde 18 ml einer einmolaren NaOH-Lösung In Wasser zugesetzt, wonach solange gerührt wurde, bis eine transparente Flüssigkeit entstand.

HLB-	Handels	Firma
Zahl	name
9,7	Bry 30	Atlas Chem. Ind.
10,0	Tween 81	Atlas Chem. Ind.
10,2	G-1086	Atlas Chem. Ind.
10,5	Tween 65	Atlas Chem. Ind.
9,7	G-1061	Atlas Chem. Ind.
12,4	G-3910	Atlas Chem. Ind.
8,6	G-1234	Atlas Chem. Ind.
13,5	Aerosol OT	Amer. Cyanamld Co
-	Aerosol TR	Amer. Cyanamid Co
		Mikroemulsion B

in 600 ml Kerosin wurde 20 g Di-(2-äthylhexyl)-natrlumsulf'osucclnat (Aerosol-OT) mit einer HLB-Zahl von 13,5 gelöst. Dieser Lösung wurde 18 ml einer einmolaren NaOH-Lösung In Wasser zugesetzt, wonach solange gerührt wurde, bis eine transparente Flüssigkeit entstand.

Mikroemulslon C

In 600 ml Kerosin wurde 20 g Dl-(2-äthylhexyl)-natriumsulfosucclnat mit einer HLB-Zahl von 13,5 gelöst.

dieser Lösung wurde 18 ml einer einmolaren H₂SO₄- -ösung in Wasser zugesetzt, wonach solange gerührt vurde, bis eine transparente Flüssigkeit entstand.

Mikroemuision D

In 600 ml Kerosin wurde 40 g Polyoxyäthylenlaurylither mit einer HLB-Zahl von 9,7 gelöst. Dieser Lösung ivurde 10 ml einer 0,1-molaren HiSCVLösung in Wasser zugesetzt, wonach solange gerührt wurde, bis eine transparente Flüssigkeit entstand.

II. Bearbeitungsbeispiele

Mit Hilfe von Funkenerosion wurden Löcher in einen Diamanten gebohrt, wobei die folgenden Flüssigkeiten angewendet wurden: Kerosin, Kerosin mit oberfläche- is naktivem Stoff, Kerosin mit oberflächenaktivem Stoff und Wasser, Flüssigkeiten A, B, C und D.

In der Tabelle II sind die Ergebnisse dieser Experimente zusammengefaßt. In die Oberfläche eines Diamanten wurde ein kegeliges Loch mit einer Tiefe von 0,4 mm

Tabeiie H

und einem Spitzenwinkel von 30° gebohrt. In der ersten Spalte ist die angewendete dielektrische Flüssigkeit, in der zweiten Spalte die benötigte Zeit und in der dritten Spalte die relative Elektrodenabnutzung in Vol.-% autgeführt. Anschließend wurde in den Boden dieses Loches ein kegeliges Loch mit einem Spitzenwinkel von 14° gebohrt. In der vierten bis sechsten Spalte ist die Unrundheit des Übergangs von dem ersten zu dem zweiten Loch angegeben (mittlerer Durchmesser, größte Abweichung von diesem Durchmesser und Form). In der siebenten und achten Stelle ist eine visuelle Beurteilung der Oberflächenrauhigkeit der Wände der kegeligen Löcher mit einem Spitzenwinkel von 30° bzw. 14° aufgeführt. Die Funkenerosion wurde unter Verwendung eines Funkengenerators mit einer Impulsspannung von 800 V, einem Impulsstrom von 4 A, einer Impulsdauer von 1 usec und einer Impulsfrequenz von 2,5 kHz durchgeführt; die Elektrode bestand aus einem zugespitzten Wolframdraht.

Diel.
Flüssigkeit

Funkenzeit
In see

Abnutzung in %

μπη

Unrundheit
μίτι

Form Oberflächenrauhlgkelt

30°-Loch

14°-Loch

Kerosin 155 5

Flüssigkeit I 71,5 5

Flüssigkeit II 42 0,6

Mikroemuision A 33

1,1

235	10	sechs	mittel	grob
		eckig	mäßig
235	10	id.	id.	mittelmäßig
				zu grob
200	7	id.	mittel	mittelmäßig
			mäßig	zu grob
			zu fein
230	<3	rund	mittel	mittelmäßig
			mäßig	zu fein
			zu fein
180	<3	rund	fein	fein
180	<3	rund	fein	fein
220	<3	rund	mittel	mittelmäßig
			mäßig	zu fein
			zu fein

Mikroemuision B 70 1,5 Mikroemuision C 45 1,2 Mikroemuision D 31 0,6

Flüssigkeit I: 600 ml Kerosin, darin gelöst 15 g Polyoxyäthylenlauryläther mit HLB-Zahl 9,7 Flüssigkeit II: 600 ml Kerosin, darin gelöst 30 g Polyoxyäthylenlauryläther rr.lt HLB-Zahl 9,7 und 18 n:

Wasser.

50

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Diamant, durch Funkenerosion in einer dielektrischen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Flüssigkeit in an sich bekannter Weise eine wäßrige Elektrolytlösung und einen oberflächenaktiven Stoff enthält, daß die Menge des oberflächenaktiven Stoffes zumindest der kritischen Micellenkonzentration entspricht, und die wäßrige Elektrolytlösung in einer Menge, die, auf die Menge an dielektrischer Flüssigkeit bezogen, 0,5 bis 10 VoL-K beträgt, im solubilisierten Zustand enthalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Elektrolytlösung, auf die Menge an dielektrischer Flüssigkeit bezogen, 0,5 bis 5 VoI.-% beträgt.