DE3119471C2 - - Google Patents

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.