DE3119471C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor
richtung zum elektrischen Bearbeiten eines leitenden
Werkstückes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 bzw. 4 und insbesondere ein Verfahren und eine Vor
richtung zum Bearbeiten eines leitenden Werkstückes mit
einer leitenden Elektrode, wobei Ultraschallwellen in
neuartiger Weise auf den Bereich der Elektrode einwir
ken, um eine gesteigerte Abtragungsgeschwindigkeit bzw.
-rate zu erzielen.
Die Bezeichnungen "Elektrobearbeiten", "elektri
sches Bearbeiten" und "zum elektrischen Bearbeiten" wer
den hier verwendet, um auf eine allgemeine Bearbeitungs
technik zu verweisen, bei der ein elektrischer Strom zwi
schen einer Elektrode und einem eine Gegenelektrode bil
denden Werkstück durch einen flüssigkeitsgefüllten Be
arbeitungsspalt fließt, um auf das Werkstück durch elek
troerosives Abtragen von Material vom Werkstück, durch
elektrisches oder elektrolytisches Zusetzen von Material
aus einem Elektrolyten auf das Werkstück oder durch elek
trisches Wärmebehandeln der Oberfläche des Werkstückes
einzuwirken (vgl. hierzu auch DE-OS 30 41 128, 31 00 342,
31 02 044). Typische Verfahren eines Elektrobearbeitens
umfassen ein elektrisches Entladungs-Bearbeiten (EDM),
ein elektrochemisches Bearbeiten (ECM), ein elektroche
misches Entladungs-Bearbeiten (ECDM) mit einer geformten
oder festen Elektrode oder mit einer kontinuierlichen
Draht- oder ähnlichen Elektrode, ein Elektroabscheiden
und ein elektrolytisches (Entladungs-)Aufheizen.
In den oben angegebenen DE-OS wird darauf hinge
wiesen, daß die Einstrahlung von Ultraschallwellen auf
den Bereich eines zwischen einer Elektrode und einem
Werkstück gebildeten elektrischen Bearbeitungsspaltes
im allgemeinen zu einer Verbesserung im Bearbeitungs
wirkungsgrad und in den Ergebnissen führt. Diese DE-OS
sehen so einen oder mehrere Wellensender vor, die in ein
flüssiges Bearbeitungsmedium eingetaucht sind und in ei
ner gegebenen Entfernung von dem Bereich des Bearbeitungs
spaltes liegen. Die an jedem Sender erzeugten Ultraschall
wellen breiten sich durch das flüssige Medium aus und
können über Grenzschichten, die gewöhnlich neben der Elek
trodenoberfläche vorhanden sind, eindringen, um die Elek
trodenoberfläche in einen hochangeregten Zustand zu brin
gen. Dynamische Erscheinungen werden so am Ort des Spal
tes hervorgerufen, um die Bearbeitungsflüssigkeit und
darin erzeugte Ionen und Bearbeitungsprodukte umzurühren
oder zufällig bzw. beliebig zu bewegen, so daß die Abfuhr
von Spaltabfällen gefördert und eine kontinuierliche Er
neuerung des Bearbeitungsmediums am Ort des Spaltes
möglich ist. Es hat sich gezeigt, daß ein derartiges
Vorgehen zu einer Steigerung in der Bearbeitungsge
schwindigkeit oder -rate und zu verbesserten Bearbei
tungsergebnissen führt. In den früher beschriebenen Vor
richtungen wirken aber zur Erzielung der Vorteile der
Ultraschallstrahlung die Wellen aus einer einzigen seit
lichen Nähe oder aus zwei oder mehr wechselseitig ent
fernten Stellen ein, die vom Ort des Spaltes entfernt
sind. Als Ergebnis bestehen ein großer Bereich oder Be
reiche einer Stagnation, die der Strahlung nicht immer
unterworfen sind, auf der Elektrodenoberfläche. Die
Spaltverunreinigungen neigen so dazu, sich an diesen
Bereichen aufzubauen, und dort entwickelt sich leicht
ein Zustand eines Lichtbogens oder Kurzschlusses, der
die Erzielung der gewünschten Effekte behindert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
zum elektrischen Bearbeiten anzugeben, das Ultraschall
wellen verwendet, wobei die Strahlung der Ultraschall
wellen in derartiger Weise ausgeführt wird, daß eine stark
gesteigerte Bearbeitungsgeschwindigkeit oder -rate und
gute Ergebnisse erzielt werden; außerdem soll eine Vorrich
tung zum elektrischen Bearbeiten geschaffen werden, die
eine hochwirksame Ultraschall-Strahlungseinrichtung um
faßt, die gegenüber dem Stand der Technik eine wesent
lich verbesserte Bearbeitungswirksamkeit und vorteilhaf
tere Ergebnisse erzielen kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Ober
begriff des Patentanspruches 1 bzw. bei einer Vorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 4 erfindungsge
mäß durch die im jeweiligen kennzeichnenden Teil angege
benen Merkmale gelöst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine im wesentlichen geschnittene
schematische Vorderansicht der er
findungsgemäßen Vorrichtung für ein
Drahtschneid-Elektroerosions-Bearbei
tungssystem,
Fig. 2A, 2B und 2C Schnitte ringförmiger Ultraschall
schwingungs-Plattenglieder mit ring
förmigen Wellensendeflächen, die mit
verschiedenen Profilen geformt sind,
für die in Fig. 1 und folgende Figuren
gezeigte Vorrichtung,
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt der
erfindungsgemäßen Vorrichtung für ein
Absenk-Elektroerosions-Bearbeitungs
system oder ein Elektroabscheidungs
system,
Fig. 4 eine ähnliche Darstellung, die schema
tisch die erfindungsgemäße Vorrichtung
für ein Tiefloch-Elektroerosionssystem
oder ein Elektroabscheidungssystem zeigt,
und
Fig. 5 eine ähnliche Darstellung, die schema
tisch die erfindungsgemäße Vorrichtung
für ein System zum Elektroabscheiden oder
elektrolytischen (Entladungs-)Aufheizen
einer metallischen Oberfläche mit kompli
zierten Profilen zeigt.
Der Erfindung ist besonders vorteilhaft auf ein
Drahtschneid-Elektroerosions-Bearbeitungssystem anwend
bar, das schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. In diesem
System besteht die Bearbeitungselektrode aus einem kon
tinuierlichen Draht oder einem ähnlichen länglichen Kör
per 1. Die Drahtelektrode 1, die beispielsweise aus
Kupfer oder Messing zusammengesetzt sein und eine Dicke
von 0,05 bis 0,5 mm aufweisen kann, wird kontinuierlich
zwischen einer Zufuhr oder Vorratsseite 2, die durch
eine Abwickelspule gezeigt ist, und einer Sammel- oder
Aufnahmeseite 3 transportiert, die durch eine Aufwickel
spule dargestellt ist. In der Bahn des Drahtlaufes sind
zwei Führungsglieder 4 und 5 vorgesehen, um die Draht
laufrichtung von der Zufuhrseite 2 zum Bereich eines
Werkstückes W und von dem zuletzt genannten Bereich zur
Aufnahmeseite 3 jeweils zu ändern. Eine Kombination von
Antriebs- und Bremsrollen (beide sind nicht gezeigt),
die gewöhnlich in der Drahtlaufstrecke vorgesehen sind,
bestimmt eine gewünschte Geschwindigkeit oder Rate des
axialen Drahtlaufes und eine gewünschte (mechanische)
Spannung, die auf die laufende Drahtelektrode einwirkt.
Die Führungsglieder 4 und 5 können verwendet werden, um
die Achse der Drahtelektrode 1 dazwischen in eine beab
standete Bearbeitungsstellung mit dem Werkstück W zu brin
gen, das linear durch die Drahtelektrode 1 durchsetzt
wird.
Ein flüssiges Bearbeitungsmedium, wie beispielswei
se destilliertes Wasser, das nach dem Ionenaustauschen
von Trinkwasser zugeführt wird, wird durch eine Düse 6
auf die Laufdrahtelektrode 1 gespeist und darauf in den
Bearbeitungsspalt im Werkstück W gebracht. Eine übliche
Elektroerosions-Strom- bzw. -Spannungsversorgungs 7 hat
einen Ausgangsanschluß, der elektrisch mit der Drahtelek
trode 1 über eine Bürste 8 verbunden ist, und einen wei
teren Ausgangsanschluß, der elektrisch mit dem Werkstück
W über einen (nicht gezeigten) Leiter verbunden ist, um
einen elektrischen Bearbeitungsstrom, insbesondere oder
vorzugsweise in der Form einer Folge von Impulsen, zwi
schen die Drahtelektrode 1 und das Werkstück W über den
mit einer Flüssigkeit gefluteten Spalt zu legen, wodurch
elektroerosiv Material vom Werkstück W abgetragen wird.
Mit fortschreitender Materialabtragung wird das Werkstück
W quer zur Achse der Drahtelektrode 1 entlang einer vor
geschriebenen Bahn verschoben, um ein gewünschtes Profil
im Werkstück W zu bilden.
Erfindungsgemäß ist ein ringförmiges Schwingungsglied
9 vorgesehen, dessen innere kontinuierliche Ringfläche 9 a
beabstandet die Drahtelektrode 1 in einem Bereich stromauf
oder vor und neben dem Werkstück W umgibt. In dem darge
stellten Ausführungsbeispiel besteht das Schwingungsglied
9 aus einem schwingungsfähigen Metall oder einer schwin
gungsfähigen Legierung und weist eine eingeengte Endspitze
eines üblichen Ultraschallhornes bzw. eines üblichen Ul
traschalltrichters 10 in Berührung hiermit auf. Das Horn
10 ist seinerseits mit einem elektromechanischen Wandler 11,
beispielsweise Quarz, gekoppelt, der durch eine Hochfrequenz-
Spannungs- bzw. Stromversorgung 12 erregt wird, um darin
eine mechanische Schwingung zu induzieren. Das Schwingungs
signal wird in üblicher Weise durch das Horn verstärkt und
von dort auf das erfindungsgemäße Schwingungsglied 9 über
tragen. Die kontinuierliche ringförmige Oberfläche 9 a des
Schwingungsgliedes 9 ist vorzugsweise gleich von der Man
telfläche der Drahtelektrode 1 beabstandet. Das Ergebnis
besteht darin, daß die Drahtelektrode 1 einer isotropen
Strahlung von Ultraschallwellen ausgesetzt ist, die vom
Schwingungsglied 9 abgegeben werden; die Ultraschallwellen
werden auf die Achse der Drahtelektrode 1 fokussiert und
wirken isotrop auf die Oberfläche der Drahtelektrode 1
in irgendeiner und/oder in jeder Ebene senkrecht zu deren
Achse ein. Daraus folgt ein gleichmäßiges Abstreifen und
Entfernen von Verunreinigungen und anhaftenden Gasen von
der Oberfläche der Drahtelektrode, und das durch die Düse
6 zugeführte flüssige Bearbeitungsmedium kann frei von
Gaszumischungen in die Bearbeitungszone zwischen der Draht
elektrode und dem Werkstück W mit gesteigerten Feuchte
eigenschaften zugeführt werden. Weiterhin pflanzen sich
Reflexionen und Ablenkungen eines Teiles der Ultraschall
wellen durch das flüssige Bearbeitungsmedium fort und wir
ken auf die Bearbeitungszone ein, damit ein größerer An
teil des Mediums im schmalen Bearbeitungsspalt aufgefüllt
wird, wodurch das Abführen von Bearbeitungsspänen, Gasen
und Abfällen, die dort vorhanden sind, erleichtert wird.
Da die Ultraschallwellen isotrop auf die Drahtelektrode
einwirken, tritt praktisch kein Bereich einer Stagnation
des flüssigen Bearbeitungsmediums auf, das durch die Draht
elektrode über deren gesamten kreisförmigen Rand oder zy
lindrische Mantelfläche geführt wird. Der gesamte Bereich
des Bearbeitungsspaltes kann so gleichmäßig mit dem flüssi
gen Bearbeitungsmedium in einem größeren Ausmaß versorgt
werden, wodurch die Spaltreinigung gefördert wird. Dies
erzeugt einerseits eine erhöhte Kühlwirkung für die Draht
elektrode und das Werkstück und verhindert andererseits
wirksam diese vor einem Kurzschluß oder Lichtbogen. In
folge der gesteigerten Kühlwirkung und der Behinderung
eines Spaltkurzschlusses und Lichtbogens bricht der Draht
weniger leicht, und es liegt eine größere Bearbeitungs
stabilität vor, was eine gesteigerte Abtragungsrate oder
-geschwindigkeit erlaubt. Es hat sich gezeigt, daß gegen
über dem Stand der Technik die Abtragungs-(Bearbeitungs-)
Rate oder -Geschwindigkeit zwischen 30 und 100% erhöht ist.
Die Fig. 2(A), 2(B) und 2(C) zeigen typische Aus
führungsbeispiele der kontinuierlichen Ringfläche 9 a
des Schwingungsgliedes 9, das die Ultraschallwellen iso
trop gegen die Drahtelektrode 1 aussendet. Die Oberflä
che 9 a von Fig. 2(A) läuft konisch spitz zu, um gegen
den Bereich des Werkstückes zu divergieren. Die Ober
fläche 9 a von Fig. 2(B) ist parabolisch geformt. Die
Oberfläche 9 a von Fig. 2(C) besteht aus einem oberen
Teil, der konisch spitz zuläuft, um nach oben zu konver
gieren, und aus einem unteren Teil, der konisch spitz
zuläuft, um nach unten zu konvergieren.
Fig. 3 zeigt ein Elektroerosions-Bearbeitungssystem
(EDM, ECM oder ECDM) oder ein Elektroabscheidungssystem,
wobei eine geformte Elektrode 101 beabstandet neben einem
Werkstück W in einem flüssigen Bearbeitungsmedium 13 liegt
und erfindungsgemäß durch die innere kontinuierliche Ring
fläche 109 a eines wellenemittierenden Schwingungsgliedes
109 umgeben ist, das über das Horn 10 durch den oben ge
zeigten elektromechanischen Wandler 11 in Ultraschallschwin
gungen versetzt wird. Die Oberfläche 109 a ist mit einem
Profil geformt, das in Fig. 2(A) gezeigt ist, um die Ultra
schallwellen gegen die Elektrode 101 und wirksam gegen den
gesamten Bereich des Bearbeitungsspaltes G zu richten. Mit
einer Elektrode einer größeren und komplizierten Bearbei
tungsfläche, wie diese gezeigt ist, ist es bisher schwierig,
Bearbeitungsspäne, Gase und Abfälle befriedigend zu entfer
nen; dies wird jedoch durch die Erfindung möglich, indem
die gesamte Elektrodenbearbeitungsfläche und der Spaltbe
reich einer isotropen Strahlung der Ultraschallwellen unter
worden und so ein fortschreitendes Bearbeiten mit gesteiger
ter Bearbeitungsstabilität gleichmäßig über dem gesamten Be
reich erlaubt wird, damit die Abtragungs- oder Abscheidungs
rate gesteigert wird. Es hat sich gezeigt, daß eine Zunahme
bis 30% in der Abtragungs- oder Abscheidungsrate gegen
über dem Stand der Technik sofort erzielbar ist.
In einem Kleinloch-Elektroerosions-Bearbeitungs-
oder Elektroabscheidungssystem, das in Fig. 4 gezeigt
ist, wird eine rohrförmige Elektrode 201 über ihre
Innenbohrung mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium ver
sorgt, das von einer Vorratsleitung 14 zugeführt wird,
und beabstandet neben einem Werkstück W vorgesehen, um
elektroerosiv einen kleinen und tiefen Hohlraum 15 darin
zu bilden oder um elektrolytisch eine gleichmäßige Be
schichtung auf dem kleinen und tiefen Hohlraum 15 abzu
scheiden, der im Werkstück W ausgeführt ist. Auch in die
sem System liegt ein wellenemittierendes Schwingungsglied
209, das über das Horn 10 durch den elektromechanischen
Wandler 11 in Ultraschallschwingungen versetzt ist, neben
der Öffnung des Hohlraumes 15, um seine innere kontinuier
liche ringförmige Oberfläche 209 a so zu positionieren, daß
die rohrförmige Elektrode 201 im gleichmäßigen Abstand um
geben wird, damit eine isotrope Strahlung der Ultraschall
wellen auf die Elektrode 201 einwirkt. Es hat sich gezeigt,
daß auf diese Weise eine Steigerung bis zu 200% in der
Abtragungs- oder Abscheidungsrate gegenüber dem Stand der
Technik sofort erzielbar ist.
In einem Elektroabscheidungs- oder Galvanisier- (bei
spielsweise Beschichtungs- oder Formierungs-) oder einem
elektrolytischen (Entladungs-)Heizsystem, das in Fig. 5 ge
zeigt ist, liegt eine Stab- oder Nadelelektrode 301 beab
standet neben einem komplizierten Profil 16 eines Werk
stückes W, das in einen flüssigen Elektrolyten 17 ein
taucht, während die Elektrode 301 und das Werkstück W durch
eine Strom- bzw. Spannungsversorgung 18 erregt werden, um
elektrolytisch eine Metallschicht aus dem Elektrolyten auf
einem Teil des Profiles 16 abzuscheiden oder um lokal einen
Teil des Profiles 16 durch die Einwirkung elektrolyti
scher Entladungen zu erwärmen. Die Elektrode 301 oder
das Werkstück W wird verschoben, damit der bearbeiten
de Spitzenteil der Elektrode 301 den gesamten Bereich
des Profiles 16 des Werkstückes W überstreicht, so daß
eine gleichmäßig abgeschiedene oder erwärmte Schicht
sich über dem gesamten Bereich des Profiles 16 bildet.
Auch in diesem System liegt ein wellenemittierendes
Schwingungsglied 309, das über das Horn 10 durch den
elektromechanischen Wandler 11 in Ultraschallschwingun
gen versetzt ist, neben dem Werkstück W, um seine innere
kontinuierliche Ringfläche 309 a so zu justieren, daß die
Stab- oder Nadelelektrode 301 in gleichem Abstand umgeben
wird, damit eine isotrope Strahlung der Ultraschallwellen
auf die Elektrode 301 und die Bearbeitungszone einwirkt.
Dies verursacht eine hohe gleichmäßige Anregung bzw. ein
starkes gleichmäßiges Umrühren des Elektrolyten in dem
Bereich des bearbeitenden Spitzenteiles der Elektrode 301,
damit eine abgeschiedene oder gehärtete Schicht mit er
höhter Gleichmäßigkeit und Abscheidungs- oder Härtungsrate
bzw. -geschwindigkeit aufgebaut wird.
Claims (7)
1. Verfahren zum elektrischen Bearbeiten eines leitenden
Werkstückes, bei dem die Bearbeitungsfläche einer
Elektrode beabstandet neben dem Werkstück vorgesehen
und mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium gespeist
ist, um einen flüssigkeitsgefüllten Bearbeitungsspalt
dazwischen zu bilden, und bei dem ein elektrischer Be
arbeitungsstrom zwischen der Elektrode und dem Werk
stück fließt, um letzteres über dem Spalt elektrisch
zu bearbeiten,
gekennzeichnet durch
- - Positionieren einer kontinuierlichen, ringförmigen, schwingungsfähigen, wellenemittierenden Oberfläche (9 a), um beabstandet die Elektrode (1) zu umgeben, und
- - Erzeugen von Ultraschallwellen mit der Oberfläche (9 a) durch deren mechanische Schwingungsanregung, damit die Ultraschallwellen auf wenigstens einen Teil der bearbeitenden Elektrodenoberfläche im wesentlichen isotrop von der kontinuierlichen, ringförmigen, wellen emittierenden Oberfläche (9 a) einwirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die ringförmige Oberfläche gleich von dem Teil in einer Ebene senkrecht zur Achse der Elektrode (1) beabstandet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die ringförmige Oberfläche (9 a) mit einem Profil gestaltet ist, das die Ultraschallwellen zum Bereich des Teiles fokussiert.
4. Vorrichtung zum elektrischen Bearbeiten eines leitenden
Werkstückes mit einer Bearbeitungselektrode, mit
- - einer Trägereinrichtung zum Lagern der Elektrode, so daß deren Bearbeitungsfläche in eine beabstandete La ge neben das Werkstück gebracht ist, um dazwischen einen Bearbeitungsspalt zu bilden,
- - eine Zufuhreinrichtung zum Einspeisen eines flüssigen Bearbeitungsmediums auf die bearbeitende Elektroden fläche und zum Bearbeitungsspalt, und
- - eine Einrichtung zum Leiten eines elektrischen Bear beitungsstromes zwischen der Elektrode und dem Werk stück, um elektrisch das Werkstück über dem flüssig keitsgefüllten Bearbeitungsspalt zu bearbeiten,
gekennzeichnet durch
- - ein ringförmiges Glied (9) mit einer kontinuierlichen ringförmigen wellenemittierenden Oberfläche (9 a), das so gestaltet ist, daß die ringförmige Oberfläche (9 a) beabstandet die Elektrode (1) umgibt, und
- - eine weitere Einrichtung zum Erzeugen von Ultraschall wellen mit dem Glied (9) durch Erzeugen einer mechani schen Schwingung einer Ultraschallfrequenz darin, damit die Ultraschallwellen auf wenigstens einen Teil der be arbeitenden Elektrodenfläche im wesentlichen isotrop von der kontinuierlichen ringförmigen wellenemittierenden Oberfläche einwirken.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die ringförmige Oberfläche gleich von dem Teil in einer Ebene senkrecht zur Achse der Elektrode (1) be abstandet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die ringförmige Oberfläche mit einem Profil ver sehen ist, das so gestaltet ist, daß die Ultraschall wellen auf den Bereich des Teiles fokussiert werden.
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