DE2637432C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zertrennen von elektrisch nicht- oder schlechtleitenden Werkstücken durch Funkenerosion mit zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Werkzeugelektroden, wobei die Spannung zur Erzeugung der Funkenentladungen an die beiden Werkzeugselektroden angelegt wird, und wobei eine Relativbe­ wegung zwischen den Elektroden und dem Werkstück in Abhängigkeit vom Materialabtrag am Werkstück erfolgt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt (DE-AS 11 53 313). Das bekannte Verfahren läßt sich nur dann zum Zertrennen von aus Isolierstoff bestehenden Werkstücken anwenden, wenn vorher ein Strompfad zwi­ schen dem Bereich des Trennschnittes und dem außenliegenden Strom­ kreis hergestellt wird. Zum Zertrennen von Diamanten wird dabei in der Weise vorgegangen, daß zunächst die Oberfläche des Diamanten karbonisiert wird, so daß ein Strompfad zwischen der Elektrode, an welche eine hohe Spannung angelegt wird, und dem Diamanten vor­ handen ist. Ein Funkenüberschlag zwischen der Elektrode und dem Diamanten kann dann stattfinden, weil sich bei der Funkenerosion eine Kohlenstoffschicht auf dem funkenerodierten Bereich ausbildet, wodurch der Strompfad aufrechterhalten wird. Bei Werkstücken aus Isolierstoff, bei denen während der Funkenerosion oder durch irgend­ welche andere Maßnahmen keine leitende Schicht ausgebildet wird, ist das Verfahren aber nicht anwendbar.

Im übrigen sind Funkenerosionsverfahren bekannt, die mit einer Werkzeugelektrode und einer Werkstückelektrode arbeiten. Dabei wird zwischen diesen beiden Elektroden ein Funken erzeugt, der aufgrund thermischer und elektromechanischer Vorgänge an den Fußpunkten des Lichtbogens Material von den Elektroden abträgt (DE-Z "Werkstatt und Betrieb" 107 (1974), Heft 8, Seiten 487 und 488).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein­ gangs beschriebenen Gattung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem Werkstücke aus elektrisch lei­ tendem oder auch aus elektrisch nichtleitendem Werkstoff durch Fun­ kenerosion zertrennbar sind, ohne daß auf dem Werkstück ein Strom­ pfad ausgebildet werden muß.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die beiden Elektroden zuein­ ander parallele, langgestreckte Kanten aufweisen, daß die Kanten näherungsweise parallel zur Werkstückoberfläche liegen, und daß die Relativbewegung zwischen den Elektroden und dem Werkstück eine ge­ meinsame Bewegung der Kanten der beiden Elektroden umfaßt.

Vorzugsweise erfolgt die Erosion in einem geeigneten dielektrischen Medium. Um einen Trennschnitt erzielen zu können, müssen die beiden Elektroden durch das Werkstück in Richtung des Trennschnittes hin­ durchgeführt werden, während das Werkstück erodiert wird. Diese Bewegung kann dadurch erreicht werden, daß entweder das Elektro­ denpaar oder das Werkstück oder auch beide gleichzeitig in Bewegung gesetzt werden.

Die Elektroden können durch die Kanten zweier paralleler Platten gebildet werden, wobei diese Kanten vorzugsweise angeschärft sind. Angeschärfte Kanten haben den Vorteil, daß der Funkenüberschlag vorzugsweise an diesen Kanten erfolgt. Die Platten selbst können irgendwelche geeignete Form aufweisen. So können die Platten bei­ spielsweise rechteckig sein, sie können aber auch zylindrisch ausge­ bildet sein, wobei der eine Zylinder innerhalb des anderen liegt. Andererseits können die Elektroden auch als Funkelektroden ausge­ bildet sein.

Erfindungsgemäß werden vorzugsweise als Elektroden zwei parallele Drähte verwendet. Diese Drähte können in der gleichen Ebene wie die Richtung der Relativbewegung zwischen Elektroden und Werk­ stück angeordnet werden. Alternativ können die Drähte aber auch in einer quer zur Richtung der Relativbewegung verlaufenden Ebene angeordnet werden.

Die Querschnittsabmessungen der Elektroden und ihr gegenseitiger Abstand kann entsprechend der Art des zu zertrennenden Werkstof­ fes und der Abmessung des herzustellenden Trennschnittes schwan­ ken. So können beispielsweise bei kleinen Werkstücken wie Dia­ manten dünne Elektroden mit geringem gegenseitigem Abstande ver­ wendet werden. Bei massiven Werkstücken wie beispielsweise einem Block aus Metall oder Beton sind im allgemeinen keine schmalen Trennschnitte erforderlich, so daß beide Elektroden dick sein können und ihr gegenseitiger Abstand relativ groß sein kann. Dabei darf selbstverständlich dieser gegenseitige Abstand nicht so groß sein, daß ein Funkenüberschlag unmöglich wird.

Die an die Elektroden anzulegende Spannung muß so groß sein, daß ein Funkenüberschlag erzielbar ist. Im allgemeinen liegt die anzulegende Spannung zwischen 500 und 20 000 V. Das Ausmaß der Erosion und damit die Trenngeschwindigkeit hängt von der in Wärme verwandelten elektrischen Leistung des Funkenüberschlages ab. Diese Leistung läßt sich durch Einstellen der Energie des Spannungsstoßes und der Impulsfrequenz verändern. Andererseits führt jedoch eine schnellere Erosion zu einem schlechteren Finish der Oberfläche. Infolgedessen werden zweckmäßigerweise die Para­ meter derart ausgewählt, daß das gewünschte Oberflächenfinish erreicht wird.

Wie bereits erwähnt, verursacht der zwischen den Elektroden erzeugte Funke eine Erosion oder Abtragung des Materials. Ent­ sprechend dieser Materialabtragung werden die Elektroden und das Werkstück näher zueinander hingeführt, wie bereits erläutert wurde, so daß der gewünschte Trennschnitt erzeugt wird. Dabei können die Elektroden durch das Material in Richtung des Trenn­ schnittes geführt werden, indem ein Druck auf die Elektroden ausgeübt wird. Dieser Druck zwingt die Elektroden durch das Material hindurch, wenn die Erosion stattfindet. Der auf die Elektroden auszuübende Druck kann entsprechend den Parametern wie beispielsweise der Reibungskraft und der mechanischen Span­ nung der Elektroden schwanken. So wurde beispielsweise fest­ gestellt, daß zum erfindungsgemäßen Zertrennen eines Diamanten durch ein aus Drähten bestehendes Elektrodenpaar eine Kraft von 0,01-0,5 N auf die Drähte einen durchaus zufriedenstellenden Trennschnitt ergibt. Andererseits können die Elektroden auch festgehalten werden und das Werkstück durch die feststehenden Elektroden bewegt werden, indem beispielsweise eine geeignete Servoeinrichtung verwendet wird, wie sie in der Veröffentlichung "Electro-Erosion Machining of Metalls von Livshits A. L., Butter­ worths, London 1960", eingehend beschrieben ist.

Ein spezielles Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Zertrennen von Werkstücken aus Isolierstoff, da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich ist, eine leitende Schicht auf dem Material herzustellen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich beispielsweise Diaman­ ten, kubisches Bornitrid und keramische Werkstoffe wie beispiels­ weise Aluminiumoxid oder Tonerde, Spinell und Porzellan zer­ trennen. Andererseits lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch elektrisch leitende Werkstoffe zertrennen wie beispielsweise Wolframkarbid, gesintertes Wolframkarbid, Stähle und andere Metalle, verdichtete Diamanten und kubische Bornitride sowie Halbleiter wie Silizium und Germanium.

Während des Zertrennens ist das Werkstück elektrisch unbestimmt (electrically floating) und nimmt ein Potential an, welches von den speziellen Arbeitsbedingungen abhängt.

Das Funkenerodieren des Materials kann in einer geeigneten di­ elektrischen Flüssigkeit erfolgen, welche dazu dient, den Funken auf den Trennbereich zu beschränken, während sie gleich­ zeitig als Kühlmittel und als Spülmittel dient, um von den Elektroden und dem Werkstück abgerissene Teilchen fortzuschwem­ men. Geeignete dielektrische Flüssigkeiten sind beispielsweise Petroleum, Kerosen, Tetrachlormethan, Trichloräthylen, Tetralin, Olivenöl und Paraffinöl. Im allgemeinen handelt es sich bei diesen Flüssigkeiten um solche mit hohem Flammpunkt, welche nicht leitend sind, bis die Durchschlags-Feldstärke überschritten wird, und welche dann sehr schnell deionisieren. Dabei kann die Flüssigkeit in einem ständigen Strom über den Bereich gegossen oder gesprüht werden, in welchem der Funkenüberschlag erfolgt. Alternativ kann dieser Bereich auch in ein Flüssigkeitsbad ein­ getaucht werden.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden im erfindungsgemäßen Verfahren zwei parallele Drähte zum Zer­ trennen eines Diamanten verwendet, welche in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Dabei ist die Querschnitts­ form der Drähte nicht kritisch, wenn auch zweckmäßigerweise im allgemeinen Drähte mit kreisrundem Querschnitt verwendet werden. Die Drahtstärke liegt im allgemeinen zwischen 0,01 und 0,1 mm und ihr gegenseitiger Abstand sollte im allgemeinen nicht größer sein als 2 mm. Vorzugsweise beträgt dieser gegenseitige Abstand 0,025 bis 2 mm.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vor­ genannten Verfahrens ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei parallele, in einem geeigneten Abstand voneinander liegende Elektroden aufweist, welche dicht an das Werkstück heran oder mit demselben in Berührung bringbar sind, daß sie eine Einrichtung aufweisen, um an die Elektroden eine einen Funkenüberschlag zwischen beiden erzeugende Spannung anzulegen, und daß sie eine das Elektrodenpaar und das Werkstück in eine der fortschreitenden Materialabtragung am Werkstück durch den Funken entsprechende Relativbewegung versetzende Einrichtung aufweist.

Vorzugsweise bestehen die beiden Elektroden aus Drähten, welche derart über eine Zuführrolle und eine Aufwickelrolle laufen, daß sie fortlaufend durch den Funkenbereich hindurchgeführt werden. Außerdem kann die Vorrichtung Organe aufweisen, um den gegenseitigen Abstand der beiden Drähte im Funkenbereich zu verändern, zu welchem Zweck zwei beiderseits des Funkenbereiches angeordnete über die Drähte hinweggreifende Gabeln vorgesehen werden können, welche um quer zur Ebene der Drähte verlaufende parallele Achsen verschwenkbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer perspektivischer Darstellung; und

Fig. 2 einen geeigneten Stromkreis zur Erzeugung der Über­ schlags- oder Funkenspannung zwischen den beiden Draht­ elektroden.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt diese zwei Drähte 10 und 12 als Elektrodenpaar, welche voneinander isoliert sind. Jeder dieser beiden Drähte läuft von einer ge­ spannten Zuführrolle 14 zu einer Aufwickelrolle 16 und läuft dabei über zwei Führungsrollen 18 und 20 und um Drahtwinden 21 und 23 herum, wobei die der Zuführrolle näherliegende Winde 23 als Antriebswinde ausgebildet ist, während die Winde 21 ledig­ lich als Führung dient. Die Winden 23 und die Aufwickelrollen 16 werden derart in Drehung versetzt, daß die Drähte sich neben­ einander in entgegengesetzter Richtung fortbewegen. Dies gewähr­ leistet, daß die Drähte nicht miteinander verschmolzen werden oder aneinander ankleben, wenn eine Spannung an sie angelegt wird. Die jeweiligen Rollen, Führungen und Winden für jeden Draht sind voneinander isoliert.

Auf einem entsprechenden Halter 24, welcher, wie die Pfeile andeuten, auf und nieder bewegbar ist, ist ein Werkstück 22, und zwar ein Diamant, angeordnet. Dieser Werkstückhalter 24 kann in der vorgenannten Weise dadurch auf und nieder bewegt werden, daß er an einen Servomechanismus angeschlossen wird, wie er beispielsweise in der bereits genannten Veröffentlichung von Livshits beschrieben ist. Der Servomechanismus hält einen geeigneten gleichbleibenden Abstand zwischen jedem Draht und dem Werkstück aufrecht, so daß eine Bewegung der Drähte durch das Werkstück und damit die Herstellung eines Trennschnittes durch Erosion erreicht wird.

Die Drähte laufen beiderseits des Funkenbereiches 27 durch Gabeln 26, so daß der Spalt bezw. der Abstand zwischen den beiden Drähten dadurch verändert werden kann, daß der Einstellwinkel dieser Gabeln 26 zu den Drähten verändert wird. Zu diesem Zweck sind diese beiden Gabeln jeweils um eine quer zur Ebene der Drähte verlaufende Achse verschwenkbar. Dadurch läßt sich der gegenseitige Abstand der Drähte im Funkenbereich 27 zwischen den beiden Gabeln 26 kleiner machen als der Drahtabstand außer­ halb dieser beiden Gabeln, so daß der Funkenüberschlag tatsäch­ lich auf den Bereich 27 beschränkt werden kann.

An die beiden Drähte wird eine geeignete Spannung angelegt, in­ dem diese Spannung an einen der beiden Führungsrollensätze an­ gelegt wird. Ein zur Erzeugung der Überschlags- oder Funken­ spannung geeigneter Stromkreis ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die beiden Drähte 10 und 12 mit einem einstellbaren Luftspalt 30 in Reihe geschaltet sind. Die Weite dieses Luftspaltes kann zwischen 0,25 und 3,5 mm eingestellt werden. Parallel zu dem Luftspalt 30 und den Drähten ist ein Kondensator 31 mit einer Kapazität von einigen Nanofarad geschaltet. Ein Begrenzungs­ widerstand 32 von etwa 50 000 Ohm ist mit dem Kondensator 31 in Reihe geschaltet und der Stromkreis wird von einer geeigneten veränderlichen Hochspannungs-Gleichstromquelle, welche an die Klemmen 33 angeschlossen ist, mit Spannung versorgt. Die Span­ nung ist von etwa 500 bis 20 000 V einstellbar.

Bei Inbetriebnahme werden die Aufwickelrollen und die Winden derart in Drehung versetzt, daß die Drähte von ihren Zuführ­ rollen über die beiden Führungsrollen zu den zugeordneten Auf­ wickelrollen laufen. Die beiden Gabeln 26 werden dann in einem derartigen Winkel zu den Drähten eingestellt, daß der Abstand zwischen den beiden Drähten im Bereich 27 zwischen den beiden Gabeln kleiner ist als der Abstand zwischen den beiden Drähten außerhalb dieses Bereiches. An einen der beiden Führungsrollen­ sätze wird alsdann eine Spannung in einer derartigen Stärke angelegt, daß zwischen den Drähten im Bereich 27 ein Funken überschlägt. Während des Funkenüberschlages erodieren natur­ gemäß diese Drähte und könnten infolgedessen reißen. Um dies zu verhindern, werden die Drähte nicht festgehalten, sondern in der vorbeschriebenen Weise fortlaufend in entgegengesetzten Richtungen durch den Bereich 27 hindurchgeführt. Dabei werden die Drähte um die Antriebswinden 23 zwischen den beiden Führungs­ rollensätzen herumgeführt, um sicherzustellen, daß sie sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch den Funkenbereich 27 hin­ durchbewegen.

Das Diamant-Werkstück wird dicht an die Drähte im Funkenbereich herangeführt, so daß der Überschlagfunken zwischen den beiden Drähten den Diamant erodiert. Dabei wird über eine Leitung 28 ein fortlaufender Strom einer dielektrischen Flüssigkeit über die Funkenüberschlags- und Erosionszone geschüttet. In dem Maße, in welchem die Erosion des Diamanten erfolgt, wird dieser nach oben geschoben. Auf diese Weise laufen die Drähte durch den Diamanten hindurch, so daß dieser zertrennt wird.

Bei einem Durchführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Drähte im Gegensatz zur Anwendung eines Servomechanismus der vorbeschriebenen Art belastet wurden, wurden zwei parallele Drähte von 0,05 mm Stärke in einem gegenseitigen Abstand von 0,25 mm dicht an ein Diamant-Werkstück herangebracht und der Diamant und die Drähte in ein dielektrisches Paraffinbad ein­ getaucht. An die beiden Drähte wurde eine Spannung von annähernd 4000 V angelegt, während die Drähte mit 0,1 N in Richtung des Trennschnittes belastet wurden. Dabei wurde eine Schnittleistung der Drähte durch den Diamanten von annähernd 1 mm³/h bei einem sehr sauberen Trennschnitt erreicht.

Claims (15)

1. Verfahren zum Zertrennen von elektrisch nicht- oder schlechtlei­ tenden Werkstücken durch Funkenerosion mit zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Werkzeugelektroden, wobei die Spannung zur Erzeugung der Funkenentladungen an die beiden Werkzeugelektroden angelegt wird, und wobei eine Relativbewegung zwischen den Elektroden und dem Werkstück in Abhängigkeit vom Materialabtrag am Werkstück erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (10, 12) zueinander parallele, langgestreckte Kanten aufweisen, daß die Kanten näherungsweise parallel zur Werkstückober­ fläche liegen, und daß die Relativbewegung zwischen den Elektroden (10, 12) und dem Werkstück (22) eine gemeinsame Bewegung der Kanten der beiden Elektroden (10, 12) umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elek­ troden Drähte (10, 12) eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10, 12) in einer durch die Richtung oder Relativbewegung gegebenen Ebene angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10, 12) in einer quer zur Richtung der Relativbewegung verlaufenden Ebene angeordnet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Werkstück (22) aus Isolierstoff besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Werkstück aus einem Diamanten (22) besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Elektroden (10, 12) an eine Spannung von 500 bis 20 000 V angelegt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Relativbewegung zwischen den Elektroden (10, 12) und dem Werkstück (22) in der Weise erzeugt wird, daß das Werkstück (22) in Richtung des herzustellenden Schnittes hindurchgeführt wird, indem auf die Elektroden (10, 12) ein Druck ausgeübt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen dem Elektroden­ paar und dem Werkstück (22) letzteres zum stillstehenden Elektroden­ paar hinbewegt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei parallele, in einem geeigneten Abstand voneinander liegende Elektroden (10, 12) aufweist, welche dicht an das Werkstück (22) heran oder mit dem­ selben in Berührung bringbar sind, daß sie eine Einrichtung (30, 31, 32, 33) aufweist, um an die Elektroden (10, 12) eine einen Funken­ überschlag zwischen beiden erzeugende Spannung anzulegen, und daß sie eine das Elektrodenpaar und das Werkstück (22) in eine der fort­ schreitenden Materialabtragung am Werkstück (22) durch den Funken entsprechende Relativbewegung versetzende Einrichtung aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden aus Drähten (10, 12) bestehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Draht (10, 12) eine Zuführrolle (14) und eine Aufwickelrolle (16) sowie Anordnungen vorgesehen sind, um fortlaufend neuen Draht durch den Funkenbereich (27) hindurchzuführen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10, 12) in entgegengesetzten Richtungen durch den Funken­ bereich (27) hindurchführbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie Organe (26, 26) zur Veränderung des Abstandes der Drähte (10, 12) voneinander im Funkenbereich (27) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe aus zwei beiderseits des Funkenbereiches (27) über die Drähte (10, 12) hinweggreifenden Gabeln (26, 26) bestehen und diese um quer zur Ebene der Drähte verlaufende parallele Achsen verschwenkbar sind.