Funkenarbeit und Bearbeitungsergebnis bei der funkenerosiven Bearbeitung

44 Pages·1960·2.527 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Herwart Opitz (auth.), Prof. Dr.-Ing. Herwart Opitz, Dr.-Ing. Gottfried Stute (eds.)

DK 621.9.018.5
FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.864
Prof. Dr.-Ing. Herwart Opitz
Dr.-Ing. Gottfried Stute
Laboratorium fur Werkzeugmaschinen der Technischen Hochschule
Aachen
Funkenarbeit und Bearbeitungsergebnis
bei der funkenerosiven Bearbeitung
Ais Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-03655-5 ISBN 978-3-663-04844-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04844-2
UrsprOnglich erschienen bei Westdeutscher Verlag I Koln und Opladen 1960
G 1 i e d e run g
1. Die Funkenerosion, ein neuartiges Bearbeitungs-
s.
verfahren 5
2. Stand der Erkenntnisse tiber die Funkenerosion • s. 8
s.
3. Die Messung von Bearbeitungsergebnis und Funkenleistung 14
3.1 Die Messung des Bearbeitungsergebnisses ....• s. 14
s.
Die Messung der Funkenleistung • . • • • . 14
3.21 Die Messung der Entladungsfolge .••• s. 15
s.
3.22 Die Messung der Entladungsarbeit . 18
4. Die Abhangigkeit des Arbeitsergebnisses von Art und
s.
GroBe der Funkenleistung • . • . . • • 20
4.1 Art und GroBe der Funkenleistung . s. 21
4.11 Die Spannung an der Entladestrecke • s. 21
4.12 Die Ermittlung der Entladungsarbeit s. 26
4.2 MeBergebnisse tiber die Abhangigkeit des Bear
beitungsergebnisses von Art und GroBe der
s.
Funkenleistung • . . • . . • • • . • 29
4.21 EinfluB der mittleren Frequenz der Ent
s.
ladungsfolge und der Zahl der Entladungen 29
4.22 EinfluB der Entladungsarbeit .• s. 31
4·23 EinfluB der Entladungsdauer und
En tladungshohe • • • • •• ..••• s. 33
4.24 EinfluB der Entladungsform und Polaritat • . s. 33
4.25 EinfluB der Entladungsarbeit auf die Rauhtiefe. s. 37
5. Der mogliche Bereich der Funkenleistung ftir die
Anwendung der Funkenerosion s. 38
6. Literaturverzeichnis s. 42
7. Verzeichnis der verwendeten Abktirzungen . s. 44
Seite 3
v 0 r w 0 r t
Der Forschungsbericht Nr. 673 des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums
des Landes Nordrhein-Westfalen befaBte sich mit der "Bearbeitung von
Werkzeugstoffen durch funkenerosives Senken". Hierbei wurde insbesondere
der Abbildungsgenauigkeit, der Oberflachenbeeinflussung der Werkstlicke
sowie der Ausbildung der Werkzeugelektroden in bezug auf Material und
Form Aufmerksamkeit geschenkt.
Demgegenliber enthalt der vorliegende Bericht Untersuchungsergebnisse
liber die Abhangigkeit des Bearbeitungsergebnisses von Art und GroBe
der Funkenleistung, d.h. von der Leistung, die in der Entladestrecke
zwischen Werkzeugelektrode und Werkstlick erzeugt wird. Eine Untersu
chung liber den Zusammenhang zwischen Art und GroBe der Funkenleistung
und der Auslegung des Arbeitskreises von Funkenerosionsmaschinen sei
einem spateren Bericht vorbehalten.
1. Die Funkenerosion, ein neuartiges Bearbeitungsverfahren
Zu den bekannten Verfahren der Metallbearbeitung ist in neuerer Zeit die
Funkenerosion getreten. Man versteht unter diesem Begriff ein Bearbei
tungsverfahren, bei dem durch kurzzeitige elektrische Entladungen hoher
Leistung die Abtragung von Teilchen metallischer Werkstoffe erfolgt.
Der grundsatzliche Aufbau einer Funkenerosionsmaschine ist in Abbildung
dargestellt. Werkzeugelektrode und Werkstlick befinden sich in einem
Arbeitsbehalter, der eine dielektrische Fllissigkeit, wie Petroleum oder
Testbenzin, enthalt. Mit Hilfe eines Energiespeichers werden zwischen
Werkzeugelektrode und Werkstlick kurzdauernde elektrische Entladungen
erzeugt. Diese bewirken eine Materialabtragung, durch die im Werkstlick
die Form der Werkzeugelektrode abgebildet wird. Der Abstand zwischen
Werkzeugelektrode und Werkstlick wird dabei tiber eine Vorschubregelung
konstant gehalten.
Die Funkenerosion laBt sich mit Vorteil liberall da einsetzen, wo harte
metallische Werkstoffe zu bearbeiten sind oder komplizierte Hohlformen
hergestellt werden mlissen [1J. An die Werkzeuge der Warm- und Kaltver
formung werden standig hohere Anforderungen in bezug auf Genauigkeit
und VerschleiBfestigkeit gestellt. Dies flihrt zum Einsatz verschleiB
fester Stahle sowie des Hartmetalls als Werkzeugbaustoffe. Die Bearbeit
barkeit dieser Werkstoffe, die mit Hilfe der Funkenerosion leicht mog
lich ist, ist dabei von entscheidender Bedeutung flir ihren wirtschaft-
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lichen Einsatz. In vielen Fallen ist es auch glinstig, Werkstticke im
geharteten Zustand zu bearbeiten, um bei verwickelten Formen die Gefah
ren von Harterissen und Harteverzug zu vermeiden. FUr die funkenerosive
Instandsetzung verschlissener Werkzeuge ist keine Vor- oder Nachbehand
lung erforderlich.
W«"kZE'uge/E'K frode
Vorschub t---l~--t £nergi~sp~ichK
r~g{~r £n~rg/~v.rsorg.
A b b i 1 dun g 1
Aufbau einer Funkenerosionsmaschine
Ein weiteres Anwendungsgebiet ergibt sich aus der Moglichkeit, mit Hil
fe einer Werkzeugelektrode, die als Negativform der gewtinschten Raum
form ausgebildet ist, auch komplizierte Gravuren zu fertigen. Die Elek
troden werden aus einem leicht bearbeitbaren Werkstoff, zumeist Kupfer,
hergestellt und konnen auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt seine
Mehrere Durchbruche oder Gravuren in einem Werkstuck konnen mit Hilfe
einer entsprechenden Mehrfachwerkzeugelektrode gleichzeitig bearbeitet
werden. Fur die Herstellung der Elektroden sind neb en der spanenden
Formgebung eine Reihe weiterer Verfahren bekannt geworden. Erwahnt sei
das Pragen im Gesenk, das GieBen sowie das Xtzen. Dem Xtzen kommt bei
der Verwendung mehrerer Elektroden nacheinander zum Ausgleich des Werk
zeugelektrodenverschleiBes besondere Bedeutung zu. Ausgehend von einer
Anzahl gleicher Elektroden konnen diese durch Xtzen auf verschieden
Sei te 6
groBes UntermaB gebracht werden. Ein UntermaB der Elektrode ist zum
einen deshalb erforderlich, weil die entstehende Raumform um die Lange
der Entladestrecke groBer wird als die Elektrode, zum anderen muB bei
einer Vorbearbeitung genugend UbermaB auf dem Werkstuck zuruckbleiben,
um eine anschlieBende Schlichtbearbeitung durchfuhren zu konnen. Der
Gestaltung der Werkzeugelektroden ist in diesem Zusammenhang erhebliche
Aufmerksamkeit zu schenken [2].
Entsprechend den jeweiligen kinematischen Verhaltnissen bei der funken
erosiven Bearbeitung konnen nun verschiedene funkenerosive Bearbeitungs
verfahren unterschieden werden [3J. Funkenerosives Senken umfaBt alle
funkenerosiven Bearbeitungsvorgange, bei denen mit in Richtung des Ar
beitsfortschrittes nachgestellter Werkzeugelektrode oder Werkstuck ge
arbeitet wird. Funkenerosives Bohren bezeichnet dabei als Unterbegriff
von Senken die Herstellung von Durchbruchen gleichen oder veranderlichen
Querschnittes, wahrend die Herstellung von Raumformen als funkenerosi
ves Gravieren gekennzeichnet wird.
Das funkenerosive Schleifen umfaBt alle funkenerosiven Bearbeitungsvor
gange, bei denen die Werkzeugelektrode das Werkstuck eine rotie
ode~
rende Bewegung ausfuhrt. Das funkenerosive Schleifen wird eingesetzt
fur die Bearbeitung hartmetallbestuckter Schneidwerkzeuge, fur die Be
arbeitung von Zahnradern sowie fur den Profilschliff von Hartmetall. Es
hat den Vorteil einer im Verhaltnis zur Bearbeitungsflache groBen Elek
trodenflache, so daB sich die Einflusse des Werkzeugelektrodenverschlei
Bes sehr stark reduzieren.
Ein wei teres Bearbeitungsverfahren ist das funkenerosive Schneiden, bei
dem mit einer Flach-, Scheiben- oder Bandelektrode als Werkzeug Werk
stuckteile abgetrennt werden. Es kann auBer der Vorschubbewegung der
Werkzeugelektrode eine zusatzliche Relativbewegung zwischen Werkzeug
und Werkstuck stattfinden (Bandelektroden).
Als Beispiel fur das funkenerosive Bohren harter Werkstoffe [4] zeigt
die Abbildung 2 Schnittplatte und PaBsttick eines hartmetallbestuckten
Folge-Schnittwerkzeuges. Abbildung 3 gibt die Halfte eines funkenerosiv
gravierten Gesenkes wieder; mit Hilfe der oben im Bild gezeigten Kupfer
elektrode wurde die unten sichtbare Hohlform in den bereits geharteten
Stahl eingebracht.
Als Beispiel fur das funkenerosive Schleifen [5J zeigt Abbildung 4 eine
funkenerosiv geschliffene Hartmetallschraube.
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A b b i 1 dun g 2 A b b i 1 dun g 3
Schnittplatte und PaBsttick eines Gesenkeinsatz und Elektrode ftir
elektroerosiv hergestellten einen Automobil-Traghebel
Folgeschnitt-Werkzeuges
Material: Hartmetall
A b b i 1 dun g 4
Elektroerosive Herstellung eines Gewindes.
Material: Hartmetall
2. Stand der Erkenntnisse tiber die Funkenerosion
Die Entwicklung der Funkenerosion als Verfahren der Metallbearbeitung
geht auf Arbeiten zurtick, die von R.B. und N.I. LAZARENKO [6] im Jahre
1943 durchgeflihrt wurden. Bei Untersuchungen tiber die Ursachen des Ver
schleiBes an elektrischen Kontakten fand das Ehepaar LAZARENKO die Mog
lichkeit der Metallbearbeitung durch kurzzeitige elektrische Entladun
gen. Zuvor hatten jedoch schon G. BREDIG [7], T. SVEDBERG [8] und
V. KOHLSCHUTTER [9] das gleiche Verfahren zur Herstellung von Metall
suspensionen verwendet.
Seit den ersten Berichten von LAZARENKO sind eine Vielzahl von Vorrich
tungen und Maschinen zur funkenerosiven Metallbearbeitung entwickelt
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worden, und eine Reihe von Veraffentlichungen sind tiber dieses Arbeits
gebiet erschienen.
Der graBte Teil dieser Veraffentlichungen gibt praktische Bearbeitungs
ergebnisse an, die mit einer bestimmten Versuchseinrichtung gewonnen
wurden. Sie beziehen sich auf eine verwendete Schaltung, als Parameter
werden im allgemeinen nur die GroBe der als Energiespeicher verwendeten
Kondensatoren und die Hahe der angelegten Gleichspannung angegeben, wah
rend die GraBe der ohmschen Widerstande und Induktivitaten, die die
Abhangigkeiten wesentlich mitbestimmen, nicht angegeben werden. Die Er
gebnisse sind damit ftir die jeweilige Maschine reproduzierbar, jedoch
besteht keine Maglichkeit, dieselben auf andere Maschinen zu tibertragen.
Zur Erlangung maschinenunabhangiger Ergebnisse ist es vielmehr erforder
lich, das Bearbeitungsergebnis, namlich den Abtrag an der Werksttick
elektrode, den WerkzeugelektrodenverschleiB sowie die erzielbare Ober
flachengtite auf Art und GraBe der elektrischen Leistung an der Entlade
strecke, die Funkenleistung, zu beziehen.
Dieses Problem wird bisher in der Literatur von zwei Autoren behandelt.
So behandelt R.E. SMITH [10] in einer Dissertation "Niederspannungs
entladungen in fltissigen Dielektrika und ihre Begleiterscheinungen" die
Abhangigkeit von Anoden und Kathodenerosion von der Dauer der Entladung
sowie yom Spitzenstrom der Entladung.
SMITH veranderte die Dauer der Entladung in einem Bereich von 0,15 bis
1,5 und den Spitzenstrom in einem Bereich von 1,4 bis 22,4 A. Da
~s
der Mittelwert der Spannung an der Entladestrecke mit 25 V angegeben
wird, ergibt sich ein untersuchter Bereich der Entladungsarbeit von
6 3
5,25 • 10- Ws bis 0,84 • 10- Ws. SMITH liegt damit mit den untersuch
ten GraBen der Entladungsarbeit etwa drei Zehnerpotenzen unter den bei
der praktischen Bearbeitung benutzten GraBen. Dartiber hinaus hat SMITH
den ftir die Bestimmung der Entladungsarbeit notwendigen Verlauf des
Stromes nicht meBtechnisch erfaBt, sondern aus den Daten des von ihm
verwendeten Funkengenerators bestimmt. Er stellte dabei fest, daB bei
einem an das System Entladestrecke - Zuleitungen gelegten rechteckfar
migen Spannungsimpuls die Spannung an der Entladestrecke ebenfalls einen
rechteckformigen Verlauf hat. Dies ist aber eine Eigenschaft der Ent
ladung tiberhaupt und laBt keinen SchluB zu auf den Verlauf des Entla
dungsstromes. Da keine quantitativen Angaben tiber den Aufbau des Impuls
generators gemacht werden, ist es sehr schwierig, auf den Stromverlauf
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zu schlieBen. Es ware bei den verwendeten geringen Entladungsarbeiten
denkbar, daB der Ausgang des Impulsgenerators einen im Verhaltnis zu
den Induktivitaten des Entladungskreises, die SMITH gar nicht betrach
tet, so hohen ohm'schen Widerstand hat, daB eine genugend genaue An
naherung an die Rechteckform auch fur den Stromverlauf gegeben ist. Da
gegen spricht allerdings, daB bei einem Teil der Oszillogramme nach der
positiven Spannung an der Entladestrecke noch eine negative Spannung
auf tritt, die einwandfrei auf eine schwingende Entladung .hindeutet.
Von B.N. SOLOTYCH [11J werden in seinem Buch "Physikalische Grundlagen
der Elektrofunkenbearbeitung von Metallen" Abhangigkeiten zwischen Be
arbeitungsergebnis und Funkenleistung angegeben. SOLOTYCH weist zunachst
nach, daB das an Werkstuck und Elektrode abgetragene Volumen linear vom
Nullpunkt ausgehend abhangig ist von der Zahl der Entladungen.
Weiterhin berichtet er uber Untersuchungen, die Metallabtragung in Ab
hangigkeit von der GroBe des verwendeten Energiespeichers und der ange
legten Uberschlagsspannung zu bestimmen. Er gibt dabei an, daB die
Materialabtragung sich darstellen laBt als
o . at
N • C eU) a fur die Anode und
a o
• eU ) Cl k' fur die Kathode.
o
Y a und Y k bedeuten dabei die Ma terialabtragung; 0 a und 0 k eine Werk
stoffkonstante, N die Zahl der Entladungen, C die GroBe des Energie
speichers sowie U die Uberschlagsspannung. Fur a bzw. a werden
k
o a
Werte zwischen 1,6 bis 2 bzw. 1,8 bis 2 angegeben. Da die Ergebnisse
auf die Kondensatorarbeit bezogen sind, bleibt der Wirkungsgrad des Ent
ladekreises unberucksichtigt und ebenfalls die Anderung des Wirkungs
grades mit der Uberschlagsspannung. Hierdurch durften die Abweichungen
von Ci a und Ci k vom Wert 2 zu erklaren sein. SOLOTYCH hat wei terhin die
wahrend einer Bearbeitung in der Entladestrecke umgesetzte Warmemenge
kalorimetrisch bestimmt und fand, daB Anoden- und Kathodenerosion linear
vom Nullpunkt ausgehend abhangig von der in der Entladestrecke umge
setzten Warmemenge und damit von der zugefuhrten elektrischen Energie
sind.
Die von SOLOTYCH angegebenen Zahlenwerte ermoglichen keine Berechnung
der Absolutwerte des Abtrages in Abhangigkeit von der zugefuhrten elek
trischen Energie, da stets eine der fur die Berechnung erforderlichen
GroBen fehlt. Weiterhin sind auch die Verhaltnisse zwischen vergleichbaren
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Werten an verschiedenen Stellen des Buches verschieden angegeben. Bei
spielsweise ist in Tabelle 2 angegeben, daB bei Verwendung von Kupfer
elektroden das Verhaltnis von Abtrag und Abbrand 1,37 zu 0,191 betragt,
Tabelle 6 gibt an, dieses Verhaltnis sei 7,55 zu 3,77.
Weiterhin gibt SOLOTYCH eine Abhangigkeit der Erosion von der Impuls
dauer an, und zwar flir die Anodenerosion bei einer Impulsdauer von 10
~s
0,042, bei 140 ~s 0,1 und bei 900 ~s 0,029 g flir 20 000 Entladungen
bei gleicher in das System Zuleitungen - Entladestrecke hineingeschickter
Energie der Einzelentladung von 0,251 Ws. Die Abnahme der Erosion bei
900 ~s erklart SOLOTYCH selbst dadurch, daB durch die Warmeleitfahig
keit die Ableitung eines erheblichen Teiles der Warmemenge von der
durch den Impuls getroffenen Stelle erfolgt. Die zwischen 10 und 140 s
~
stetig ansteigenden Werte dtirften hingegen auf den mit der Impulsdauer
veranderten Wirkungsgrad des Entladekreises, der von SOLOTYCH nicht
berlicksichtigt wird, zurlickzuflihren sein.
Neben der Abhangigkeit des Bearbeitungsergebnisses von der Funkenleistung
ist der Zusammenhang zwischen dem Aufbau des Arbeitskreises von Funken
erosionsmaschinen und der Funkenleistung von Interesse. Einige dieser
Zusammenhange werden in dem vorstehend erwahnten Buch von B.N. SOLOTYCH
behandelt. Hierbei wird eine Schaltung betrachtet, bei der aus einer
Gleichspannungsquelle ein Kondensator tiber einen ohm'schen Widerstand
aufgeladen wird und tiber die Induktivitat des Entladekreises und die
Entladestrecke entladen wird. Induktivitat des Ladekreises und ohm'scher
Widerstand der Zuleitungen des Entladekreises werden vernachlassigt.
Auf die Berechnung der mittleren Frequenz der Entladungsfolge geht
SOLOTYCH nicht ein, hingegen werden Diagramme tiber den Verlauf von Strom
und Spannung im Entladekreis wahrend der Entladung gezeigt. Aus der
Frequenz der gedampften Schwingung des Entladestromes wird die Indukti
vitat des Entladekreises berechnet, aus der Dampfung ein Ersatzwider
stand der Entladestrecke. Der aus der Dampfung, wie spater aufgeftihrt
wird, zu errechnende Widerstand umfaBt jedoch nicht nur den Ersatzwider
stand der Entladestrecke, sondern auch den ohm'schen Widerstand der
Zuleitungen zwischen Energiespeicher und Entladestrecke, die die gleiche
GroBenordnung wie der Ersatzwiderstand der Entladestrecke aufweisen.
Eine Theorie der Generatoren ftir Funkenerosionsmaschinen stellt BRUMA
[16J in einer Veroffentlichung auf. Hierin werden verschiedene Moglich
keiten ftir die Ausbildung der Energieversorgung und der Ladekreisimpedanz
Sette 11