DE3102044A1

DE3102044A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektroerosiven bearbeiten eines werkstueckes

Info

Publication number: DE3102044A1
Application number: DE19813102044
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokyo Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1980-01-22
Filing date: 1981-01-22
Publication date: 1981-12-10
Also published as: JPS56107832A; IT8147619A0; FR2473929A1; GB2068285B; IT1142238B; GB2068285A; JPS6227937B2; FR2473929B1; US4379960A

Description

Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Kanagawaken Japan

Verfahren und Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten eines Werkstückes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten eines Werkstückes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 17.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das elektrische Entladungs-Bearbeiten (EDM-Bearbeiten), bei dem eine Werkzeugelektrode neben einer Werkstückelektrode liegt, um einen kleinen Bearbeitungsspalt (etwa 10 bis 20 ,um klein) beim Vorhandensein eines Bearbeitungsmediums dazwischen zu bilden, und eine Folge elektrischer Impulse liegt zwischen der Werkzeugelektrode und der Werkstückelektrode, um aufeinander folgende elektrische Entladungen über dem Spalt zu erzeugen, so daß elektroerosiv Material von der Werkstückelektrode abgetragen wird; mit fortschreitender Materialabtragung rücken die Werkstückelektrode und die Werkzeugelektrode relativ aufeinander zu, um fortschreitend eine Aussparung in der Werkstückelektrode zu bilden. Die

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Erfindung sieht nun ein EDM-Verfahren und eine EDM-Vorrichtung vor, bei denen die Wechselwirkung einer elektrischen Entladung hoher Stromstärke und eines von außen angelegten Magnetfeldes ausgenutzt wird und in neuartiger Weise auf das EDM-System einwirkt, das aus den nebeneinander liegenden wirksamen Flächen der bearbeitenden Werkzeugelektrode und der bearbeiteten Werkstückelektrode im Spalt besteht und an dem der EDM-Prozeß fortschreitet.

Die Anregung zur Verwendung eines hilfsweise von außen angelegten Magnetfeldes im EDM-Prozeß geht auf die Anfangsstufen in der EDM-Entwicklung zurück. Wenn ein Magnetfeld von außen auf den Bereich eines EDM-Spaltes einwirkt, dann hat sich gezeigt, daß der sich ergebende Magnetfluß mit dem elektrischen Entladungsstrom hoher Stromstärke in Wechselwirkung steht und auf im Spalt erzeugte Medien dynamische Wirkungen verursacht, die noch nicht vollständig erklärt sind. Es wurde erkannt, daß diese Wechselwirkungen die Erzeugung elektrischer Entladungen erleichtern und ein vorteilhaftes Erweitern des wirksamen Bearbeitungsspalt-Abstandes erlauben, so daß eine Steigerung in der Entladungs-Polgefrequenz und eine Verbesserung in der Abfuhr von Bearbeitungsspänen und anderen Produkten aus dem Spaltbereich eintreten kann, um die stabilisierten EDM-Wirkungen zu fördern und so allgemein den EDM-Prozeß zu verbessern. Die Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auf den EDM-Spalt wurde schon verschiedentlich angeregt (vgl. JP-AS 29-6942 vom 25. Oktober 1954, JP-AS 30-833 vom 11. Februar 1955, JP-AS 30-2943 vom 28. April 1955, JP-AS 39-13297 vom 11. Juli 1964, JP-AS 46-11400 vom 23. März 1971, JP-AS 46-12520 vom 31. März 1971, JP-AS 54-9759 vom 26. April 1979 sowie JP-Gbm 31-5790 vom 19. April 1956).

In den bisherigen Vorrichtungen ist eine Magnetfeld-

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Generatoreinrichtung vorgesehen, beispielsweise eine oder mehrere Spulen, die durch eine äußere Quelle von einem Gleichstrom oder einem Wechselstrom erregt werden, und so angeordnet, daß ein Magnetfluß entwickelt wird, der zum Elektrodensystem konstant festgelegt ist, wobei die sich ergebenden Magnetfeldlinien fest die sich gegenüberliegenden Flächen der Werkzeug- und der Werkstückelektrode durchsetzen, an denen Bearbeitungswirkungen fortschreiten. Die Spule kann auf die Werkzeugelektrode oder auf das Werkstück oder auf beide gewickelt sein oder es kann alternativ ein Eisenkern, auf dem eine erregbare Spule gewickelt ist, in Berührung mit oder in der Nähe von der Werkzeug- oder der Werkstückelektrode oder beiden sein, um das gewünschte stationäre Magnetfeld aufzubauen.

Wenn eine Gleichmäßigkeit der durch die Einwirkung eines Magnetfeldes über der gesamten Bearbeitungszone oder einem interessierenden Teil von dieser erzielbaren Einflüsse oder Effekte gewonnen werden soll, dann hat sich gezeigt, daß die Verwendung eines festen Magnetflusses oder dessen Verwendung allein in der bisher beschriebenen Weise kaum die gewünschten Ergebnisse liefert. So verursacht das Anlegen eines in seiner Lage festen Magnetflusses oft eine ungewünschte und ungesteuerte Lokalisierung oder Konzentration elektrischer Entladungen, was eine insbesondere bemerkenswerte Erscheinung ist, wenn das Werkstück aus einem eisenhaltigen oder einem anderen ferromagnetischen Material zusammengesetzt ist. Dies verursacht eine übermäßige und unregelmäßige Abnutzung der Werkzeugelektrode sowie eine Beeinträchtigung in der Bearbeitungsstabilität und damit eine Verringerung in der Abtragungsgeschwindigkeit oder -rate.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten anzugeben,

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bei denen der Magnetfluß gesteuert derart am EDM-Spaltbereich liegt, daß eine Verbesserung in der Bearbeitungsstabilität, der Abtragungsgeschwindigkeit und der Gleichmäßigkeit sowie in der relativen Elektrodenabnutzung erzielbar ist; außerdem soll die Anwendbarkeit des EDM-Prozesses ausgedehnt werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum elektrischen Entladungs-Bearbeiten vorgesehen, bei dem eine Werkzeugelektrode in beabstandeter Beziehung neben einer Werkstückelektrode liegt, um einen kleinen Bearbeitungsspalt in einer Bearbeitungsflüssigkeit zu bilden, bei dem eine Folge elektrischer Impulse zwischen das Werkzeug und das Werkstück gelegt ist, um aufeinander folgende elektrische Entladungen am Bearbeitungsspalt zu erzeugen, wodurch elektroerosiv Material vom Werkstück abgetragen und darin eine Aussparung gebildet wird, und bei dem die Werkzeugelektrode und die Werkstückelektrode relativ zueinander verschoben werden, so daß die aufeinander folgende Materialabtragung fortschreitend die Bildung der Aussparung in der Werkstückelektrode vortreibt; dieses Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

Anlegen eines Magnetfeldes an den Bereich der Aussparung für eine erste Zeitdauer,

Einwirken von Ultraschallwellen auf den Bereich der Aussparung für eine zweite Zeitdauer, und

Vorsehen einer dritten Zeitdauer, in der die erste und die zweite Zeitdauer wenigstens teilweise miteinander zusammenfallen.

Das Magnetfeld kann ein kontinuierliches Gleichfeld

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. /73·

sein; es ist jedoch vorzugsweise ein Wechselfeld und liegt in der Form von Impulsen, beispielsweise von einfach gerichteten Gleichstromimpulsen, von wechselnden Gleichstron impulsen und von gepulsten oder periodisch unterbrochenen Wechselstromfeldern, an. Das Magnetfeld sollte eine Größe über 100 Gauss und vorzugsweise größer als 200 Gauss und außerdem vorzugsweise nicht kleiner als 300 Gauss besitzen. Die Ultraschallwellen sollten eine Schwingungsfrequenz über 10 kHz und vorzugsweise zwischen 100 kHz und 3 MHz aufweisen, und sie sollten eine Stärke zwischen 5 und 100 W und vorzugsweise zwischen 10 und 50 W besitzen. Das Magnetfeld und die Ultraschallwellen können entweder im wesentlichen gleichzeitig oder im wesentlichen abwechselnd angelegt sein; es hat sich als wichtig erwiesen, daß eine Zeitdauer vorliegt, in der das Magnetfeld und die Ultraschallwellen wenigstens teilweise zusammenfallen, wenn sie einzeln auf den Bereich der Aussparung einwirken. Vorzugsweise sollten die Ultraschallwellen eine niederfrequente Komponente und eine hochfrequente Komponente haben, die darauf überlagert ist, wobei jede eine Frequenz im angegebenen Bereich besitzt. Auf diese Weise hat sich gezeigt, daß eine merkliche Verbesserung in der Abtragungsgeschwindigkeit oder -rate, der Bearbeitungsstabilität und der Schneid-Gleichmäßigkeit erzielbar ist. Weiterhin entsteht eine verbesserte Oberflächenrauhigkeit, die bis zu 1 bis 2 ,uR fein ist, was bisher prak-

/ max ' ^

tisch nicht für möglich gehalten wurde.

Außerdem sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum elektrischen Entladungs-Bearbeiten vor, die aufweist eine Werkzeugelektrode, die in eine beabstandete benachbarte Lage zu einem Werkstück justierbar ist, um hiermit einen kleinen Bearbeitungsspalt in einer Bearbeitungsflüssigkeit zu bilden, die in einem Arbeitsbehälter aufgenommen ist, eine Strom- bzw. Spannungsversorgung zum Anlegen einer Folge elektrischer Bearbeitungsimpulse zwischen die Werkzeug-

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elektrode und das Werkstück, um aufeinander folgende elektrische Entladungen am Bearbeitungsspalt zu erzeugen, wodurch elektroerosiv Material vom Werkstück abgetragen und darin eine Aussparung gebildet wird, und eine Verschiebungsej.nrichtung zum relativen Verschieben der Werkzeugelektrode und des Werkstückes, so daß die aufeinander folgende Materialabtragung fortschreitend die Bildung der Aussparung im Werkstück vortreibt; diese Vorrichtung hat eine erste Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes an den Bereich der Aussparung für eine erste Zeitdauer und eine zweite Einrichtung zum Einspeisen von Ultraschallwellen auf den Bereich der Aussparung für eine zweite Zeitdauer, wobei die erste und die zweite Einrichtung wirksam sind, um eine dritte Zeitdauer zu erzeugen, in der die erste und die zweite Zeitdauer wenigstens teilweise miteinander zusammenfallen.

Eine Zeitgebereinrichtung kann vorgesehen sein, um das Magnetfeld und die Ultraschallwellen im wesentlichen gleichzeitig oder im wesentlichen abwechselnd auf den Bereich der Aussparung einwirken zu lassen. Weiterhin kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, um periodisch die Polarität des Magnetfeldes zu ändern, wenn dieses einseitig gerichtet ist, oder um die Stärke des Magnetfeldes Schwankungen zu unterwerfen, wenn dieses stationär ist, wie ein durch die erste Einrichtung angelegtes Gleichstrom- oder Wechselstromfeld. Die zweite Einrichtung kann gestaltet sein, um auf den Bereich der Aussparung die Ultraschallwellen kontinuierlich oder vorzugsweise in der Form einer Folge von zeitlich beabstandeten Stoßen anzulegen. Die zweite Einrichtung kann einen elektromechanischen Wandler aufweisen, beispielsweise ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Element oder ein magnetostriktives Element, das durch eine hochfrequente Strom- bzw. Spannungsquelle erregt ist, die bei einer Frequenz im ange-

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gebenen Bereich arbeitet. Vorzugsweise werden zwei derartige Strom- bzw. Spannungsquellon mit einer relativ niederen Betriebsfrequenz bzw. einer relativ hohen Betriebsfrequenz verwendet, um den Wandler zu erregen, so daß die auf den Bereich der Aussparung einwirkenden Ultraschallwellen zusammen mit dem Magnetfeld zwei einander überlagerte Frequenzkomponenten haben, deren jede eine Frequenz im angegebenen Bereich besitzt.

Die Werkzeugelektrode bildet zusammen mit einem diese tragenden Schaftteil eine Elektrodenanordnung. Weiterhin können die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung als eine kompakte Magnetfeld-Generatoranordnung bzw. ültraschallanordnung ausgeführt sein. Aus Gründen der Wirksamkeit, Leistungsfähigkeit, Zweckmäßigkeit und Anpassung an einen verschiedenen Bereich von Bearbeitungsarten hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Magnetfeld-Generatoranordnung und die ültraschallanordnungen an vorgewählten Stellen der Elektrodenanordnung zu befestigen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikal-Teilschnitt, der schematisch die erfindungsgemäße EDM-Vorrichtung darstellt,

Fig. 2 Vertikal-Teilschnitte, die schematisch eine und 3 EDM-Elektrodenanordnung nach der Erfindung darstellen,

Fig. 4 einen Schnitt, der schematisch einen wesentlichen Teil einer ültraschallanordnung zeigt, die für die Elektrodenanordnung der Fig. 2 und 3 verwendbar ist,

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- >er -

Fig. 5 eine schematische Vertikalsicht eines

wesentlichen Teiles einer Magnetanordnung, die für die Elektrodenanordnung der Fig. 2 und 3 verwendbar ist,

Fig. 6 eine schematische Vertikalsicht, die

ein weiteres Beispiel für die EDM-Elektrodenanordnung nach der Erfindung angibt, und

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer integrierten Magnet- und ültraschallanordnung, die für die Vorrichtung der Fig. 6 verwendbar ist.

In der Fig. 1 ist eine EDM-Werkzeugelektrode 1 auf einem Elektrodenschaft 2 gelagert und dabei neben ein Werkstück

3 justierbar, um einen Bearbeitungsspalt einer Größe von 10 bis 20 ,um zu bilden, der mit einer Bearbeitungsflüssigkeit

4 gespült ist, die ein Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Kerosin oder destilliertes Wasser, sein kann und in einem nicht gezeigten Arbeitsbehälter aufgenommen ist. Eine EDM-Strom- bzw. Spannungsversorgung 5 ist elektrisch mit der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 3 verbunden, um eine Folge elektrischer Bearbeitungsimpulse einzuspeisen, so daß aufeinander folgende elektrische Entladungen am Bearbeitungsspalt zwischen der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 3 erzeugt werden, wodurch elektroerosiv Material vom Werkstück abgetragen und darin eine Aussparung oder eine Höhlung 6 gebildet wird. Der Elektrodenschaft 2 wird durch eine Servo-Steuereinrichtung angetrieben, um die Werkzeugelektrode 1 gegen das Werkstück 3 zu verschieben, so daß die fortschreitende elektroerosive Abtragung von Material vom Werkstück 3 die Bildung der Aussparung 6 darin vortreibt. Die Servo-Steuereinrichtung ist tatsächlich gestaltet, um auf einen Spalt-Kurz-

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Schluß oder einen Lichtbogen-Zustand anzusprechen, und sie ist wirksam, um zeitweise die Werkzeugelektrode 1 vom Werkstück 3 zurückzufahren und um auf eine Vergrößerung des durch Materialabtragung erzeugten Spaltabstandes anzusprechen, wodurch die Bearbeitungsspalt-Größe im wesentlichen konstant gehalten wird.

Eine Magnetfeld-Generatoreinrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes ^an den Bereich der Aussparung 6 gemäß der Erfindung umfaßt ein U-förmiges ferromagnetisches Element 7, eine auf dem Element 7 gewickelte Spule 8 und eine Strom- bzw. Spannungsversorgung 9 zum Erregen der Spule 8. Das Element 7 hat zwei Pole 7a und 7b, die jeweils allgemein zur Aussparung 6 gerichtet sind, so daß diese durch Magnetflüsse durchsetzt wird, die durch das Element 7 erzeugt werden und aus den Polen 7a und 7b austreten bzw. in diese eindringen, wenn die Spule 8 durch die Strom- bzw. Spannungsversorgung 9 erregt wird. Wenn die Werkzeugelektrode 1 aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise aus Eisen, besteht, dann kann deren aktive Bearbeitungsfläche mit einem paramagnetischen oder nichtmagnetischen Material 1a, wie beispielsweise Kupfer, etwa durch Elektroabscheidung oder Kleben bzw. Anhaften, belegt sein, um zu verhindern, daß sich die Magnetflüsse in die Elektrode 1 zerstreuen, und um so die Magnetflüsse auf den Bereich der Aussparung 6 zu konzentrieren. Die Strom- bzw. Spannungsversorgung 9 kann sein eine Gleichstromquelle, um ein kontinuierliches, einseitig gerichtetes Magnetfeld einer im wesentlichen konstanten Stärke zu erzeugen, eine Wechselstromquelle, um ein Sinus-Wechselstromfeld zu erzeugen, eine gepulste Gleichstromquelle, um ein gepulstes, einseitig gerichtetes Magnetfeld einer im wesentlichen konstanten Stärke zu erzeugen, oder eine bipolare Impulsquelle, um ein Magnetfeld mit wechselnden positiven und negativen Rechteckkomponenten zu erzeugen, deren jede

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eine im wesentlichen konstante Amplitude hat.

Das Magnetfeld sollte eine Stärke im allgemeinen zv/ischen 100 und 2000 Gauss und vorzugsweise nicht kleiner als 200 Gauss und außerdem vorzugsweise nicht kleiner als 300 Gauss haben. Es hat sich gezeigt, daß ein derartiges Magnetfeld eine starke Wechselwirkung mit dem Entladungsstrom in der Aussparung 6 besitzt, wodurch das Bearbeiten zu vorteilhaften Ergebnissen führt. Auf diese Weise wird ein vorteilhafter Spaltzustand hervorgerufen, der den Spaltdurchbruch und den Überschlag durch einen einzelnen diskreten Bearbeitungsimpuls erleichtert, so daß aufeinander folgende Impulse eine gleichmäßige Entladungseigenschaft oder -kennlinie besitzen, während der wirksame Überschlag-Abstand des Bearbeitungsspaltes gesteigert werden kann, was eine Erscheinung darstellt, die auf die magnetische Tendenz magnetisch empfindlicher Teilchen, die im Bearbeitungsspalt vorhanden sind, und auf die elektromagnetische Kraft zurückzuführen ist, die auf den Entladungsstrom einwirkt. Es hat sich gezeigt, daß der Spalt-Durchbruch-Abstand von einer Größe von 10 bis 20 ,um ohne ein Magnetfeld auf eine Größe von 2 5 bis 30 ,um erhöht ist.

Eine Ultraschalleinrichtung 10 ist erfindungsgemäß zum Einspeisen von Ultraschallwellen auf den Bereich der Aussparung 6 vorgesehen und umfaßt einen elektromechanischen Wandler 11 aus einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Element, das in Berührung mit der Bearbeitungsflüssigkeit 4 vorgesehen ist und durch eine hochfrequente Strom- bzw. Spannungsversorgung 12 erregt wird, um Ultraschallschwingungen einer Frequenz zwischen 10 kHz und 10 MHz und vorzugsweise zwischen 100 kHz und 5 MHz zu erzeugen. Die Schwingungen werden auf die Bearbeitungsflüssigkeit 4 übertragen und so in Ultraschallwellen umgesetzt, die richtungsmäßig mittels eines Hornes oder Trich-

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ters 13 für eine wahlweise oder bevorzugte Einspeisung auf den Bereich der Aussparung 6 durch die Bearbeitungsflüssigkeit 4 fokussiert werden. Die Einrichtung 10 ist auf einem Träger 14 befestigt, der dazu dient, den Trichter 13 in einen vorbestimmten Abstand von der Aussparung 6 und mit einer vorbestimmten Winkelausrichtung zu justieren. Der Träger 14 ist sicher auf oder in dem Arbeitsbehälter befestigt. Die Stärke der von der Einrichtung 10 ausgesandten und auf den Bereich der Aussparung 6 gerichteten Ultraschallwellen sollte zwischen 5 und 100 W und vorzugsweise zwischen 10 und 50 W betragen.

Der Wandler 11 ist vorzugsweise durch mehr als eine Frequenzquelle 12 erregt, so daß zwei oder mehr Schwingungsarten oder Frequenzen von Ultraschallwellen einander überlagert einwirken und auf den Bereich der Aussparung 6 übertragen sind.

Wenn gemäß der Erfindung ein Magnetfeld und ein Stoß von Ultraschallwellen auf den Bereich der Bearbeitungs-Aussparung so einwirken, daß eine Zeitdauer, in der das Magnetfeld angelegt ist, und eine Zeitdauer, in der der Ultraschall-Stoß eingespeist ist, miteinander wenigstens teilweise übereinstimmen, dann werden - wie sich in überraschender Weise gezeigt hat - synergistische oder zusammenwirkende Effekte hinsichtlich der Verbesserung des Bearbeitungswirkungsgrades und der Bearbeitungsdurchführung erzielt, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird. Auf diese Weise kann ein Magnetfeld der angegebenen Stärke kontinuierlich angelegt sein, während ein Stoß von Ultraschallwellen einer Schwingungsfrequenz und Stärke, wie diese oben festgelegt wurden, intermittierend einwirkt. Dagegen können die Ultraschallwellen kontinuierlich einwirken, während das Magnetfeld intermittierend oder kontinuierlich anliegt. Das Magnetfeld und der Ultraschall-Stoß können im wesentlichen

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abwechselnd eingespeist sein; jedoch ist es wichtig, daß eine Zeitdauer vorliegt, in der das Magnetfeld und der Ultraschall-Stoß wenigstens teilweise miteinander zusammenfallen. Während einer Anwendung ist es gelegentlich wünschenswert, die Frequenz und/oder die Stärke der Ultraschallwellen periodisch oder sonst abzuwandeln, um die Größe und/oder die Richtung des Magnetfeldes periodisch oder sonst zu ändern odereine Kombination dieser Änderungen oder Abwandlungen auszuführen. Es ist auch wünschenswert, nacheinander zu ändern die Lage, auf die das Magnetfeld gerichtet ist, und/oder die Lage, auf die der Ultraschall-Stoß oder -Impuls gerichtet ist, und zwar im Bereich der Bearbeitungs-Aussparung, damit nacheinander die Kombinationseffekte über der gesamten Fläche der Aussparung abtasten.

In Fig. 1 ist daher eine Zeitsteuer- bzw. Takt- oder Synchronisier-Steuerschaltung 15 mit der Erreger-Strombzw. -Spannungsquelle 9 für die Spule 8 und mit der Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsquelle 12 für den Ultraschallwandler 11 verbunden, um gewünschte Zeitsteuer- oder Synchronisiermuster der gemeinsamen Einwirkung eines Magnetfeldes und eines Ultraschall-Stoßes auf dem Bereich der Bearbeitungs-Aus sparung 6 zu erzeugen. Um eine aufeinander folgende abtastende Einwirkung des Magnetfeldes zu ermöglichen, kann das ferromagnetische Element 7 oder ein Flußkonzentrator drehbar angeordnet sein, um winkelmäßig den zwischen den entgegengesetzten Polen 7a und 7b erzeugten Magnetfluß beispielsweise um die Achse der Werkzeugelektrode 1 oder des Schaftes 2 zu verschieben, oder es können zahlreiche U-förmige ferromagnetische Elemente ähnlich dem Element 7 vorgesehen werden, deren jedes eine Spule 8 trägt und die nacheinander angeregt werden, wenn solche einzelne Spulen nacheinander durch eine gemeinsame Strom- bzw. Spannungsquelle oder ihre jeweils vorgesehenen Strom- bzw. Spannungsquellen 9 erregt werden, um einen sich bewegenden Magnetfluß zu ent-

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wickeln. Um eine aufeinander folgende abtastende Einwirkung der Ultraschallwellen zu ermöglichen, kann die Ultraschalleinrichtung 10 drehbar um den Bereich oder die
Bearbeitungs-Aussparung 6 vorgesehen sein, und es können mehrere Ultraschalleinrichtungen 10 für eine aufeinander folgende Anregung vorhanden sein, um einen sich bewegenden oder Lauf-Ultraschall-Stoß zu entwickeln. Es ist auch wünschenswert, einen Parameter des Magnetfeldes und/oder einen Parameter der Ultraschallwellen abhängig vom Zustand im Bearbeitungsspalt zwischen der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 3 abzuwandeln oder zu ändern. Hierzu liegt ein Fühlerwiderstand 16 zwischen der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 3. Ein Spannungsfühlerabgriff 17 ist mit dem Widerstand 16 verbunden, um ein den Bearbeitungsspalt-Zustand darstellendes elektrisches Signal zu erzeugen, das in eine Steuerschaltung 18 eingespeist
wird, um die Größe oder den Verlauf des Magnetfeldes bei der Erregerquelle 9 abzuwandeln. Ein anderer Fühlerabgriff 19 ist mit dem Widerstand 16 verbunden, um ein elektrisches Spannungssignal zu erzeugen, das den Bearbeitungsspalt-Zustand darstellt und in eine Steuerschaltung 20 eingespeist ist, um die Größe und/oder die Frequenz der Ultraschallwellen bei der Erregerquelle 12 abzuwandeln. Ein Beispiel für die Abwandlung der Parameter liegt in einer Verstärkung des Ultraschall-Stoßes und des Magnetfeldes, wenn erfaßt wird, daß die Spaltspannung unter einen voreingestellten Schwellenwert abfällt.

Beispiel:

Es wird ein EDM-Betrieb mit einer Folge elektrischer Bearbeitungsimpulse durchgeführt, die so eingestellt sind, daß sie eine Ein-Zeit T . von 30 ,us, eine Aus-Zeit *C

ein / aus

von 15 .us und einen Spitzenstrom Ip von 0,5 A besitzen, um theoretisch eine Oberflächenrauhigkeit von 1,8 ,uR zu lie-

/ IuclX

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fern. In Versuchen wirken das Magnetfeld und die Ultraschallwellen auf die folgende Weise ein:

A. Ein kontinuierliches magnetisches Gleichfeld einer Stärke von 300 Gauss liegt an, ohne die Einwirkung von Ultraschallwellen zu benutzen.

B. Ein magnetisches Gleichfeld einer Stärke von 1000 Gauss liegt intermittierend bei einer Frequenz oder Folgefrequenz von 10 Hz an, und es wirkt kein Ultraschall-Stoß ein.

C. Ein kontinuierliches magnetisches Gleichfeld einer Stärke von 1000 Gauss wird verwendet, und es wirkt kein Ultraschall-Stoß ein.

D. Es liegt weder ein Magnetfeld noch ein Ultraschall-Stoß vor.

E. Ultraschallwellen von 1,6 MHz und 13 W liegen kontinuierlich an, und es ist kein Magnetfeld vorhanden.

F. Ultraschallwellen von 20 kHz und 20 W liegen kontinuierlich an, und es ist kein Magnetfeld vorhanden.

G. Ultraschallwellen von 36 kHz und 20 W, denen Ultraschallwellen von 1,6 MHz und 10 W überlagert sind, liegen an, und es ist kein Magnetfeld vorhanden.

H. Ultraschallwellen entsprechend G (36 kHz, 20 W und 1,6 MHz, 10 W) liegen an, und es ist ein magnetisches Wechselfeld von 300 Gauss bei einer Frequenz von 10 Hz eingespeist.

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I. Ultraschallwellen entsprechend G oder H sind eingespeist, und es liegt ein magnetisches Wechselfeld von 1000 Gauss bei einer Frequenz von 5 Hz an.

J. Kontinuierliche Ultraschallwellen von 20 kHz und 20 W sind eingespeist, und es liegt ein Magnetfeld entsprechend H an.

K. Kontinuierliche Ultraschallwellen von 1,6 MHz und 10 W sind eingespeist, und es liegt ein kontinuierliches magnetisches Gleichfeld von 1000 Gauss an.

L. Kontinuierliche Ultraschallwellen von 20 kHz und 20 W sind eingespeist, und es liegt ein Magnetfeld entsprechend I (1000 Gauss, 5Hz) an.

In der folgenden Tabelle ist hierfür die EDM-Abtragungsgeschwindigkeit bzw. -rate angegeben:

Arbeits weise	Abtragungsrate (mg/min)
A	2,4
B	2,5
C	2,1
D	2,0
E	2,6
F	2,5
G	2,8
H	5,7
I	8,8
J	3,2
K	3,4
L	3,3

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Es hat sich bestätigt, daß die gesamte oder wirksame Stärke der im Bereich zwischen 10 und 100 W einwirkenden Ultraschallwellen praktisch keine wesentliche Auswirkung auf die Abtragungsgeschwindigkeit oder -rate besitzt, und die Auswahl der Ultraschallfrequenzen ist eher steuernd.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, in denen die Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes und die Einrichtung zum Einspeisen von Ultraschallwellen aus zwei Einheiten 21 bzw. 22 bestehen, die beide auf dem Elektrodenschaft 2 befestigt sind, der di_e werkzeugelektrode 1 beabstandet neben dem Werkstück 3 trägt. Hierzu kann der als eine zylindrische Säule gestaltete Schaft 2 eine gleitend darauf gepaßte Hülse 23 besitzen, an der jeweils mittels eines Trägers 24 eine Ultraschalleinheit 21 (Fig. 3) oder Ultraschalleinheiten 21a und 21b (Fig. 2) und eine magnetische Einheit 22 (Fig. 3) oder magnetische Einheiten (in Fig. 2 nicht gezeigt) befestigt sind. Die Hülse 2 3 wird - wenn sie gleitend auf den Schaft 2 gepaßt ist - mittels einer nicht gezeigten Einrichtung gedreht, um die Ultraschalleinheit 21, 21a, 21b und die magnetischen Einheiten 22 so zu verschieben, daß der Bereich der Bearbeitungs-Aussparung 6 durch eine Kombination von Magnetflüssen und Ultraschallwellen abgetastet wird. Jedes Paar von Ultraschalleinheiten 21a kann diametral an entgegengesetzten Stellen bezüglich der Werkzeugelektrode 1 angeordnet sein, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, und dann ist ein ähnliches Paar magnetischer Einheiten an diametral entgegengesetzten Stellen senkrecht zu den Stellen der Ultraschalleinheiten 21a und 21b vorgesehen. Jede der Einheiten 21, 21a, 21b und 22 kann am Träger 24 über ein einstellbares Gelenk 25 befestigt sein, so daß es verschwenkbar ist, um seine Winkelstellung in gewünschter Weise einzustellen, damit das Magnetfeld und die Ultraschallwellen in die Richtung des Bereiches der Bearbeitungs-Aussparung 6 oder einer vorgewählten Stelle darin gerichtet sind.

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Die Ultraschalleinheit 21, 21a, 21b kann in einer zur Fig. 1 ähnlichen und in Fig. 4 gezeigten Form ausgeführt sein und einen durch die Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsquelle 12 erregten elektromechanischen Wandler 11 und einen Wellenausricht-Trichter 10a aufweisen. Die magnetische Einheit 22 kann in einer in Fig. 5 gezeigten Weise aufgebaut sein und einen ferromagnetischen Stab 26 aufweisen, der eine darauf am einen Ende nahe dem Träger 24 oder dem Gelenk 25 gewickelte Spule 27 besitzt, die durch die Strom- bzw. Spannungsquelle 9 erregt wird, die hier als eine Wechselstromquelle gezeigt ist, jedoch auch von jeder bereits beschriebenen Art sein kann. Ein Gehäuse 28 enthält die Spule 27 und lagert den ferromagnetischen Stab 26, und es ist auf einem Schlitten 24 gelagert, um den Stab 26 in der Richtung des Bereiches der Bearbeitungs-Aussparung zu justieren oder auszurichten.

Die magnetische Einheit und die Ultraschalleinheit können in eine einzige Bauform 30 integriert werden, die beispielsweise in Fig. 7 gezeigt ist. Die dargestellte Bauform 30 umfaßt einen elektromechanischen Wandler 31, der durch eine Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsquelle 12 erregt ist und an dem eine feste Trichterstruktur 32 befestigt ist, auf der am Ende mit dem größeren Radius eine Spule 33 gewickelt ist. Der Trichter 32 besteht aus einem ferromagnetischen Material und liefert einen Magnetfluß, wenn die Spule 3 3 durch die Strom- bzw. Spannungsquelle 9 erregt ist. Ein Schalter 34 liegt zwischen der Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsquelle 12 und dem elektromechanischen Wandler 31, und ein Schalter 35 liegt zwischen der Strombzw. Spannungsquelle 9 und der Spule 33, wobei die beiden

Schalter 34 Jind 35 eng durch eine Steuerschaltung 36 gesteuert gewerden ,
schlossen / um die Kombination des Magnetflusses und des Ultraschall-Stoßes oder -Impulses synchron oder mit einem gewünschten Zeitsteuer-Muster zu erzeugen. Mehrere Baufor-

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- 26·- ■-■'■■

men 30 sind an der Hülse 23 auf dem Elektrodenschaft 2 jeweils über das Gelenk 25 und den Träger oder Schlitten 24 in der in Fig. 6 gezeigten und in einer zu den Fig. 2 und 3 ähnlichen Weise befestigt.

Die Erfindung ermöglicht so ein EDM-Verfahren und eine EDM-Vorrichtung, die Verbesserungen im Bearbeitungs-Wirkungsgrad, der Ausführung der Bearbeitung und deren Stabilität sowie eine gesteigerte Bearbeitungsgenauigkeit und eine verbesserte Oberflächenrauhigkeit liefern, die weniger als 1 bis 2 ,uR beträgt, was bisher als unmöglich zu erreichen gilt.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1.) Verfahren zum elektroerosiven Bearbeiten eines Werkstückes, mit

- Justieren einer Werkzeugelektrode beabstandet neben dem Werkstück, so daß dazwischen ein Bearbeitungsspalt in einer Bearbeitungsflüssigkeit entsteht, die in einem Arbeitsbehälter aufgenommen ist,

- Anlegen einer Folge elektrischer Bearbeitungsimpulse zwischen die Werkzeugelektrode und das Werkstück, um elektrische Entladungen an dem mit der Bearbeitungsflüssigkeit gespülten Bearbeitungsspalt zu erzeugen, wodurch Material vom Werkstück abgetragen und darin eine Aussparung gebildet wird, und

- relatives Verschieben der Werkzeugelektrode und des Werkstückes, so daß die aufeinander folgende Abtragung von Material fortschreitend die Bildung der Aussparung im Werkstück vortreibt,

gekennzeichnet

durch

- Anlegen eines Magnetfeldes an den Bereich der Aussparung

(6) für eine erste Zeitdauer,

- Einspeisen von Ultraschallwellen durch die Bearbeitungsflüssigkeit (4) in den Bereich der Aussparung (6) für eine zweite Zeitdauer, und

- Vorsehen einer dritten Zeitdauer, in der die erste und die zweite Zeitdauer wenigstens teilweise miteinander zusammenfallen.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Magnetfeld eine Größe über 100 Gauss besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Größe über 200 Gauss liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Größe nicht kleiner als 300 Gauss ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Magnetfeld ein einseitig gerichtetes Feld ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Feld im wesentlichen kontinuierlich über der ersten Zeitdauer ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Feld intermittierend unterbrochen ist, um ein gepulstes Gleichfeld mit einer Impulsdauer der ersten Zeitdauer zu erzeugen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Magnetfeld ein Wechselfeld ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Wechselfeld ein Sinusfeld ist.

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10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Wechselfeld positive und negative Komponenten besitzt, die jeweils im wesentlichen konstant sind.

11. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Feld gepulst oder intermittierend unterbrochen während der ersten Zeitdauer ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschallwellen von einer Frequenz zwischen 10 kHz und 10 MHz sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Frequenz nicht kleiner als 100 kHz ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschallwellen von einer Stärke zwischen 5 und 100 W sind.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

- daß. die Stärke nicht kleiner als 10 W ist.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Werkzeugelektrode zusammen mit einem diese tragenden Elektrodenschaft eine Elektrodenanordnung bildet,

gekennzeichnet durch

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- Anlegen des Magnetfeldes von einem Magnetfeld-Generator, der an der Elektrodenanordnung (1, 2) befestigt und so justiert ist, daß der dadurch erzeugte Magnetfluß den Bereich der Aussparung (6) durchsetzt, und

- Einspeisen der Ultraschallwellen von einer Ultraschallanordnung, die an der Elektrodenanordnung (1, 2) befestigt und so justiert ist, daß ein Stoß von dadurch erzeugten Ultraschallwellen vorzugsweise auf den Bereich der Aussparung (6) durch die Bearbeitungsflüssigkeit (4) übertragen wird.

17. Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten eines Werkstückes, mit

- einer Werkzeugelektrode, die beabstandet neben das Werkstück justierbar ist, um dazwischen einen Bearbeitungsspalt in einer Bearbeitungsflüssigkeit in einem Arbeitsbehälter zu bilden,

- einer Strom- bzw. Spannungsversorgung zum Anlegen einer Folge elektrischer Bearbeitungsimpulse zwischen die Werkzeugelektrode und das Werkstück, um aufeinander folgende elektrische Entladungen am Bearbeitungsspalt zu erzeugen,

- wodurch elektroerosiv Material vom Werkstück abgetragen und darin eine Aussparung gebildet wird, und

- einer Einrichtung zum relativen Verschieben der Werkzeugelektrode und des Werkstückes, so daß die aufeinander folgende Materialabtragung fortschreitend die Bildung der Aussparung im Werkstück vortreibt,

gekennzeichnet durch

- eine erste Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes an den Bereich der Aussparung (6) für eine erste Zeitdauer , und

- eine zweite Einrichtung zum Einspeisen von Ultraschallwellen auf den Bereich der Aussparung (6) für eine zweite Zeitdauer,

130050/047«

- wobei die erste und die zweite Einrichtung wirksam sind, um eine dritte Zeitdauer zu erzeugen, in der die erste und die zweite Zeitdauer wenigstens teilweise miteinander zusammenfallen .

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste Einrichtung gestaltet ist, um das Magnetfeld mit einer Stärke über 100 Gauss zu erzeugen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

- daß die zweite Einrichtung gestaltet ist, um die Ultraschallwellen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und MHz zu erzeugen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

- daß die zweite Einrichtung gestaltet ist, um die Ultraschallwellen mit einer Stärke zwischen 5 und 100 W zu erzeugen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste Einrichtung aufweist:

- ein ferromagnetisches Element,

- eine auf das ferromagnetische Element gewickelte Spule, und

- eine Strom- bzw. Spannungsquelle zum elektrischen Erregen der Spule, um einen Magnetfluß durch das ferromagnetische Element und durch den Bereich der Aussparung (6) zu erzeugen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,

- daß die zweite Einrichtung aufweist:

- einen elektromechanischen Wandler,

- eine Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsquelle zum Erregen des Wandlers, um Ultraschallschwingungen zur Übertragung auf die Bearbeitungsflüssigkeit zu erzeugen, damit darin die Ultraschallwellen zur Übertragung auf den Bereich der Aussparung (6) durch die Bearbeitungsflüssigkeit (4) gebildet werden.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

- daß die zweite Einrichtung einen Trichter aufweist, um im wesentlichen die Ultraschallwellen auf den Bereich der Aussparung (6) zu fokussieren.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Strom- bzw. Spannungsquelle eine Gleichstromquelle ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Strom- bzw. Spannungsquelle eine Wechselstromquelle ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch

- eine elektrisch mit dem Bearbeitungsspalt verbundene Fühlereinrichtung zum Erzeugen eines den Zustand des Spaltes darstellenden elektrischen Signales, und

- eine auf das elektrische Signal ansprechende Steuereinrichtung zum Betätigen der Strom- bzw. Spannungsquelle, um wenigstens einen Parameter des Magnetfeldes zu ändern.

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27. Vorrichtung nach Anspruch 22,
gekennzeichnet durch

- eine elektrisch mit dem Bearbeitungsspalt verbundene Fühlereinrichtung, um ein den Zustand des Spaltes darstellendes elektrisches Signal zu erzeugen, und

- eine auf das elektrische Signal ansprechende Steuereinrichtung, um auf die Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsquelle einzuwirken, damit wenigstens ein Parameter der Ultraschallwellen geändert wird.

28. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Werkzeugelektrode zusammen mit einem diese tragenden Elektrodenschaft eine Elektrodenanordnung bildet,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste Einrichtung als eine Magnetfeld-Generatoranordnung ausgeführt ist, die auf der Elektrodenanordnung befestigt und derart justiert ist, daß ein dadurch erzeugter Magnetfluß den Bereich der Aussparung (6) durchsetzt, und

- daß die zweite Einrichtung als eine Ultraschallanordnung aufgebaut ist, die auf der Elektrodenanordnung (1, 2) befestigt und derart justiert ist, daß ein Stoß von dadurch erzeugten Ultraschallwellen vorzugsweise zum Bereich der Aussparung (6) durch die Bearbeitungsflüssigkeit (4) übertragen wird.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet,

- daß mehrere derartige Magnetfeld-Generatoranordnungen und mehrere derartige Ultraschallanordnungen auf der Elektrodenanordnung (1, 2) befestigt und so vorgesehen sind, daß sie den Bereich der Aussparung (6) umgeben.

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30. Vorrichtung nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Magnetfeld-Generatoranordnung und die Ultraschallanordnung als eine einzelne Bauform (30) ausgeführt sind, die auf der Elektrodenanordnung befestigt ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet,

- daß mehrere derartige Bauformen auf der Elektrodenanordnung befestigt und so vorgesehen sind, daß sie den Bereich der Aussparung (6) umgeben.

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