DE3233994A1

DE3233994A1 - Verfahren zum herstellen von mikrobohrungen im (my)-bereich unter anwendung der funkenerosion

Info

Publication number: DE3233994A1
Application number: DE19823233994
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. 7140 Ludwigsburg Maier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-14
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1984-03-15
Also published as: DE3233994C2

Description

Verfahren zum Herstellen von Mikrobohrungen im
-Bereich unter Anwendung der Funkenerosion Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Mikrobohrungen im -Bereich unter Anwendung eines Funken-Erosionsverfahrens, bei dem mittels einer zylindrischen Elektrode ein zylindrisches Loch in der Oberseite eines Werkstückes erodiert wird.
Die Funkenerosion ist ein bekanntes Verfahren, bei dem durch Anlegen einer Spannung zwischen einem Werkstück und einer Elektrode durch Funkenentladung Material am Werkstück abgetragen wird, um z.B. ein Durchgangsloch in einem Werkstück herzustellen (vgl.DE-OS 30 32 604).
Ist die Elektrode drahtförmig ausgebildet, entsteht ein rundes, zylindrisches Durchgangsloch (Fig.1).
Um Mikrobohrungen zu erhalten, wird der Drahtdurchmesser entsprechend dem gewünschten Lochdurchmesser gewählt. Die untere Grenze ist dadurch vorgegeben, daß bei sehr kleinem Elektrodendurchmesser, z.B. 5 ßm, durch die Funkenentladung nur die Elektrode abschmilzt, ohne daß Material am Werkstück abgetragen wird. Außerdem entstehen beträchtliche Schwierigkeiten beim Ausrichten eines derart dünnen Drahtes. Die untere Grenze derartiger Mikrobohrungen liegt daher bisher bei 10-12 am.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auch noch Löcher mit einem Durchmesser von kleiner als 5 ßm sicher und einwandfrei in einem Werkstück zu bohren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren in zuverlässiger Weise gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit darin, daß zunächst in bekannter Weise mittels einer zylindrischen, vorzugsweise aber konischen Elektrode in der Oberseite des Werkstücks W ein kraterförmiges Loch K erodiert wird (Fig.2). Gleichzeitig wird jedoch, abweichend von den bekannten Verfahren, das Werkstück an der Unterseite mit Überdruck (vorzugsweise 30-70 bar) beaufschlagt.
Dies kann dadurch geschehen, daß das Werkstück mit seiner Unterseite einen Raum R abschließt, der ein unter Druck p stehendes Fluid enthält (Fig.2). Wenn aber das Werkstück als ein Hohlkörper, z.B. ein Rohr (Fig.3) oder als ein den Hohlkörper (Rohr) abschließender Deckel (Fig.4) ausgebildet ist, dann wird das Innere des Hohlkörpers (Rohres) mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllt. Kurz bevor der Lochdurchbruch entsteht, wird die Funkenfrequenz soweit herabgesetzt, daß zeitlich hintereinanderfolgende Einzelfunken entstehen.
Der eigentliche Lochdurchbruch wird dann erreicht, wenn ein einzelner Funke am Grunde des Kraters K an einer Stelle partiell die noch verbleibende Wand durchschmilzt.
Dadurch wird an dieser Stelle die flüssige Metallschmelze infolge des hohen Druckes an der Unterseite des Werkstücks durch den bereits erodierten Teil des Loches nach außen geschleudert, wodurch dann der eigentliche Lochdurchbruch entsteht. Um zu verhindern, daß der darauffolgende Funke das Loch vergrößert, muß die Funkenerosion unmittelbar nach der Lochentstehung abgeschaltet werden.
Der Zeitpunkt des Durchbruchs kann dadurch sichtbar gemacht werden, daß mit der Lochentstehung das unter Druck stehende Gas austritt und dies deutlich durch in der Dielektrikumsflüssigkeit aufsteigende Gasbläschen (Gb) zu erkennen ist (Fig.5).
Eine andere Möglichkeit, den Zeitpunkt des Durchbruchs zu erkennen, besteht darin, mittels einer empfindlichen elektronischen Druckmessung den bei einem Durchbruch auftretenden Druckabfall zur Signalisierung der Beendigung des Erosionsvorgangs zu benützen.
Der kleinste Durchmesser eines erfindungsgemäß erodierten Loches wird somit nicht - wie üblich - durch den Elektroden-Durchmesser bestimmt, sondern mittels eines einzelnen Erosionsfunkens wird vielmehr zunächst einmal "elektrisch" der Kratergrund an einer Stelle aufgeschmolzen, worauf dann durch Herausdrücken der Metallschmelze durch den Fluid-Überdruck der Durchbruch "mechanisch" erzeugt wird.
Die Entstehung derartiger Durchbrüche ist - wie nachstehend an einem Beispiel gezeigt - stark von der Funkenart (Größe, Frequenz, Dauer etc.) abhängig. So konnten durch Variation der Einstellparameter an der Funkenerosionsmaschine auch noch Spalte Sp mit nur 0,5 ßm Breite an einem Rohr hergestellt werden (Bild 6), die jedoch z.Zt. noch nicht sicher reproduzierbar sind.
Als Anwendungsgebiet für derartige Mikrobohrungen kommen zunächst Düsen unterschiedlichster Einsatzzwecke in Frage, von denen gefordert wird, z.B. bei hohen Drücken kleinste Durchsätze oder einen dünnen Strahl zu erzeugen.
Bei einem beispielsweise durchgeführten Verfahren ergaben sich die nachstehend genannten Werte 1.) Einspannen des Werkstücks auf die Werkplatte der Erosionsmaschine.
Werkstoff: Edelstahl X5 CrNi 189 Werkstückdicke: 0,15 mm.
2.) Aufbringen eines Druckes auf das Werkstück von der Unterseite, d.h. der der Elektrode abgewandten Seite.
Druckmedium: CO2 Druck: 30 - 70 bar.
3.) Einspannen der Elektrode.
Elektrodenmaterial: Elektrolytkupfer oder Wolframkupfer, Elektrodendruckmesser: 3 mm Angeschliffener Konus mit 60 Rundungsradius der Spitze:50 - 60 ßm.
Mit diesen Elektrodenparametern wurden die besten Ergebnisse erzielt (Löcher zwischen 3 und 10 ßm).
Wird der Konuswinkel über 150 und der Rundungsradius vergrößert, so sind keine Löcher im Bereich von 5 ßm herstellbar.
4.) Befüllen der Bearbeitungswanne der Erosionsmaschine mit Dielektrikumsflüssigkeit,bis der Flüssigkeitsspiegel ca. 50 mm über dem Werkstück liegt.
Dielektrikum: Erosionsöl 5.) Einschalten der Funkenerosionsmaschine.
Bei der folgenden Parametereinstellung wird eine minimale Energieübertragung pro Funke erreicht, bei der die Maschine noch stabil arbeitet.
Maschinentyp: Agietron AB 30 K, AGIE AG Frequenz: 100.000 Hz Impulsperiode: 0,01 ms Impulsbreite: ca. 10 % = 0,001 ms Strom: 3 A Arbeitsspannung:ca. 25 V Vibrator: ausgeschaltet Polarität: Elektrode Pluspol, Werkstück Minuspol Speisespannung der Leistungstransistoren: 60 V Nachdem die Elektrode ca. 100 ßm (= 2/3 der Werkstückdicke) in das Werkstück eingedrungen ist (nach ca.
5 - 6 Minuten), wird am Timer folgende Einstellung vorgenommen: Arbeitszeit 3" Abhebezeit 1 Dadurch wird eine längere Pause zwischen den einzelnen Funken erreicht, wodurch das schnelle Abschalten der Maschine nach dem Durchbruch ermöglicht wird.
Die Eindringtiefe der Elektrode in das Werkstück kann hierbei durch eine Mikrometerskale abgelesen werden.
6.) Der eigentliche Durchbruch durch das Werkstück wird durch aufsteigende Bläschen (CO2) in der Dielektrikumsflüssigkeit sichtbar.
Unmittelbar nach Sichtbarwerden dieser Bläschen wird die Maschine manuell, günstiger automatisch, durch eine Lichtschranke, die von den Bläschen unterbrochen wird, abgeschaltet.
Nachstehend sind die Einflußgrößen auf den Lochdurchmesser zusammengefaßt: - p = 60 - 70 bar ergibt Durchmesser von 5 - 10 ßm p = 30 - 40 bar " " " 10 - 15 ßm.
- Wird die Maschine nicht unmittelbar nach dem Durchbruch abgeschaltet, so bewirken die danach entstehenden Funken eine Lochvergrößerung, entsprechend der Anzahl der Funken.
- Der Elektrodenwinkel von 60 hat sich als günstig zur Erzeugung kleiner Durchbrüche erwiesen. Größere Winkel als 15 d ergeben keine Löcher im 5m Bereich.
- Die aufgeführten Maschinenparameter wurden so gewählt, daß die übertragene Energie pro Funkenentladung minimal ist. Wird z.B. durch Erhöhung der Spannung die Energie vergrößert, bewirkt dies eine Vergrößerung des Lochdurchmessers.
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Claims

Patentansprüche W Verfahren zum Herstellen von Mikrobohrungen im ßm-Bereich unter Anwendung eines Funken-Erosionsverfahrens, bei dem mittels einer zylindrischen Elektrode ein zylindrisches Loch in der Oberseite eines Werkstückes erodiert wird, dadurch gekennzeichnet , daß während des Erosionsvorganges die Unterseite (U) des Werkstücks (W) durch ein unter Druck (p) stehendes Fluid beaufschlagt wird, das am Grund des noch nicht durchgebohrten Loches (Sackloch) an der durch das Erosionsverfahren bereits geschaffenen dünnsten, schmelzflüssig gewordenen Wandstelle des Werkstückes (W) diese Wandstelle durchdrückt (Durchbruch), wodurch die gewünschte Bohrung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erosionsvorgang mittels einer an der Spitze konisch geformten Elektrode (E) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der kleinste Durchmesser des erodierten Loches in Abhängitkeit von mindestens einem der nachstehend genannten Parameter Elektroden-Durchmesser und - Abstand, Werkstoff des Werkstückes und der Elektrode, Druck auf der Unterseite des Werkstücks, Dauer und Abstand der Impulse, Dielektrikumsflüssigkeit, durch die letzten Erosionsfunken bestimmt wird.
4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funken-Erosion>mit einer Frequenz von 100 kHz bei einer Spannung von ca. 25 Volt betrieben wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kurz vor dem Durchbruch durch die dünnste Stelle des Sackloches durch periodisches Abheben der Elektrode für 1 sec mit einer Frequenz von 0,25 Hz die Funkenanzahl pro Zeiteinheit herabgesetzt wird.
6. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (U) des Werkstückes (W) mit einem überdruck (p) von 30 bis 70 bar beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Durchbruchs durch aufsteigende und austretende Bläschen (GB) des unter Druck (p) stehenden Fluids kenntlich gemacht wird.
8. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Durchbruchs durch elektronische Messung des Druckabfalls ermittelt und angezeigt wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (W) mit seiner Unterseite (U) einen ein unter Druck stehendes Fluid enthaltenden Raum (R) abschließt.
10. Verfahren nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß beim Herstellen eines Loches in einer Rohrwandung (Fig.3) oder in einem ein Rohr abschließenden Deckel (Fig.4) das Rohr im Innern mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllt ist.
11. Verfahren nach den Patentansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (W) während des Erosionsvorganges in einer mit einer Dielektrikumsflüssigkeit gefüllten Wanne liegt, in der die Flüssigkeit etwa 50 mm über dem Werkstück (W) steht.
12. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als unter Druck stehendes Fluid CO2 verwendet wird.
13. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikumsflüssigkeit Erosionsöl verwendet wird.