DE2404857C2 - Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Diamant, durch Funkenerosion - Google Patents
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Diamant, durch FunkenerosionInfo
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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-
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
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
Flüssigkeit
Funkenzeit
In see
In see
Abnutzung in %
μπη
Unrundheit
μίτι
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 (2)
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.
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