Funkenerosive Bearbeitung: Untersuchungen von Einflußgrößen bei der funkenerosiven Senkbearbeitung PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr.1145 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. . E. h. Leo Brandt DK 621.9.018.5 Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart OpitZ Dr.-Ing. Hans Wilhelm Obrig Dr.-Ing. Kar/heinz Ganser Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen Funkenerosive Bearbeitung Untersuchungen von Einflußgrößen bei der funkenerosiven Senkbearbeitung WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1963 ISBN 978-3-663-00554-4 ISBN 978-3-663-02467-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-02467-5 Verlags-Nr. 011145 © 1963 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag Inhalt Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen 7 1. Einleitung ..................................................... 9 2. Die elektroerosive Bearbeitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3. Elektrische Arbeitskennwerte ..................................... 12 3.1 Mittlere Frequenz und Entladungsfolge ............ .... ..... ... 12 3.2 Die Entladedauer ........................................... 20 3.21 Änderung der Entladedauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20 3.22 Einfluß der Entladedauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22 3.3 Die Entladungsarbeit . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27 4. Auswirkungen der Zusatzspülung 32 4.1 Die dielektrische Flüssigkeit 32 4.11 Zweck des Arbeitsmediums .................................. 32. 4.12 Aufbereitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33 4.2 Aufgabe und Art der Spülung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34 4.21 Auswirkungen auf die Arbeitskennwerte ......... . . . . . . . . . . . . .. 35 4.22 Erklärung des Vorganges beim Spülen ........................ 37 4.3 Anwendungsmäglichkeiten der Spülung ....................... 47 5. Der Bearbeitungsspalt und seine Beeinflussung ...................... 51 5.1 Der Bearbeitungsspalt im Bereich niedriger Funkenarbeit ........ 51 5.11 Messung des Bearbeitungsspaltes beim funkenerosiven Gravieren.. 52 5.12 Messung des Bearbeitungsspaltes beim funkenerosiven Bohren . . .. 53 5.2 Einfluß der elektrischen Parameter .......... . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54 5.3 Einfluß der Bearbeitungsfläche ............................... 60 5.4 Einfluß der Werkstoffpaarung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.5 Einfluß der dielektrischen Flüssigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62 5.6 Temperaturen im Bearbeitungsspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66 6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68 7. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69 5 Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen E Spannung der Energiequelle V Rq Ohmscher Widerstand der Energiequelle n Lq Induktivität der Energiequelle H 3q Scheinwiderstand der Energiequelle n RI Ohms cher Widerstand des Ladekreises n LI Induktivität des Ladekreises H 31 Ladescheinwiderstand n S Energiespeicher C Kapazität des Energiespeichers fLF Rs Ohmscher Widerstand des Speicherquerzweiges n Ls Induktivität des Speicherquerzweiges H 3s Speicherscheinwiderstand n Rr Widerstand der Entladestrecke n Re Ohmscher Widerstand des Entladekreises n Le Induktivität des Entladekreises H Wirkungsgrad des Entladekreises "l)e 3r Entladescheinwiderstand n Uc Spannung am Energiespeicher V Uo Überschlagspann ung V Uferr mittlere Spannung am Entladewiderstand Rr V Ur Spannung an der Entladestrecke V Ur Anfangsfunkenbrennspannung V Ub Mindestfunkenbrennspannung V Us Sollwerteinstellung Funkenspannung h Strom im Ladekreis A ie Strom im Entladekreis A le Spitzenstrom einer Entladehalbschwingung A tl Ladedauer ms tr Entladungsdauer fLS Te Dauer einer Entladungsperiode fLS Te/ Dauer einer Entladungshalbperiode fLS 2 n Anzahl der Entladehalbschwingungen fr mittlere Frequenz der Entladungsfolge kHz A Kondensatorarbeit Ws k Arges in einer Entladung in der Entladestrecke umgesetzte elektrische Arbeit (Gesamtfunkenarbei t) Ws 7 Nrn(Nr) mittlere Leistung der Einzelentladung W Nrges gesamte Entladungsleistung W W o Entladungsdichte mm2 Imp. Auftreffdichte der Entladungen min' Krater Durchmesserdifferenz mm mm3 Abtragleistung am Werkstück min mm3 Abtragleistung an der Werkzeugelektrode min mm3 V Wn (V AlE; V WIE) Abtrag pro Entladung am Werkstück Entl. VEn(Vl(/E; VE/E) Abtrag pro Entladung an der mm3 Werkzeugelektrode Entl. relativer Werkzeugelektrodenverschleiß 0/ /0 Vorschubweg der Werkzeugelektrode mm Zeit min oe Temperatur in der Werkstückoberfläche oe Temperatur im Entladungskanal oe Schmelztemperatur kcal c spezifische Wärme kg· grd kcal Wärmeleitzahl m' h· grd Durchschlagfeldstärke kVjcm Funkenüberschlagstrecke cm Bearbeitungsspalt ILm Bearbeitungsspalt bei Mindestfunkenbrenn spannung optimaler Bearbeitungsspalt aopt. as Bearbeitungsspalt bei Speicherspannung effektiver Bearbeitungsspalt aeff 11. relativer \Verkzeugvorschub hw Gesamtzustellung der Werkzeugelektrode bis zum Durchbruch durch die Bearbeitungsform mm s Stärke der Bearbeitungsform mm F Bearbei tungsfläche mm2 8 1. Einleitung Die stetig steigenden Festigkeitseigenschaften der Werkzeugstähle und der Sinter hartmetalle stellen die Fertigung und den Werkzeugbau immer wieder vor neue Probleme. Die unter dem Oberbegriff »Trennen« [1] zusammengefaßten Ferti gungsverfahren haben darum in neuerer Zeit durch die abtragenden Verfahren ihre notwendige Ergänzung und Erweiterung erfahren. Nach dem heutigen Stand der Entwicklung hat die Elektroerosion vor den mechanischen, chemischen, elektrochemischen und elektronischen Abtragungsverfahren die größte Be deutung erlangt. 9 2. Die elektroerosive Bearbeitung Unter dem Begriff »Elektroerosion« sollen hier »alle durch elektrische Entladungsvorgänge zwischen zwei Elektroden unter einem Arbeitsmedium hervorgerufenen Abtragungen von elektrisch leitenden Werkstoffen zum Zwecke der Bearbeitung« verstanden werden [2]. Die elektrische Energie wird in Form einer Entladung an der Arbeitsstelle unmittelbar in die zum Abtrag erforderliche Arbeit umgesetzt. Der Werkstückstoff wird mit der zeitlichen Aufeinanderfolge der Entladungen punktweise abgetragen, und durch die Wahl einer geeigneten Entladungsart ist es möglich, die durch das Werkzeug vorgegebene Form im Werkstück abzubilden. Diese letzte Bedingung läßt sich nur mit der Bearbeitung nach dem Funken verfahren erfüllen. Zum Unterschied gegenüber dem Lichtbogenverfahren ist die Funkenerosion definiert als »das Abtragen durch aufeinander folgende, zeitlich voneinander getrennte, nichtstationäre oder quasistationäre Entladungen. Die Entladungen erfolgen vorwiegend aus Energiespeichern mit Spannungen von mehr als rund 20 V während des Entladungsvorganges in einem isolieren den Arbeitsmedium.« [2] Den prinzipiellen Aufbau eines elektroerosiven Arbeitskreises zeigt Abb. 1. Energie Ladekreis Entladekreis versorgung L. u. u. Abb. 1 Schema des Arbeits reises einer Elektroerosionsmaschine In früheren Berichten [9, 15, u. a.] wurden bereits die grundsätzlichen Zusammen hänge aufgezeigt und Ergebnisse von Untersuchungen des Verfahrens dargestellt. 10 Die rasch fortschreitende Entwicklung des Verfahrens sowie die Erweiterung des Anwendungsbereiches bringen eine Vielzahl neuer Probleme. Darum ist die Aufgabe gestellt, alle beeinflussenden Größen im elektroerosiven Arbeitsprozeß systematisch zu erfassen, zu untersuchen und ihre Auswirkungen im Hinblick auf das Arbeitsergebnis abzugrenzen. Das Arbeitsergebnis wird durch die Werte der Abtragleistung, des relativen Werkzeugelektrodenverschleißes und der Oberflächenrauheit bestimmt. Im fol genden sollen nun die Auswirkungen einer Variation der elektrischen Kennwerte, der Einfluß einer Zusatzspülung sowie die Größe des Bearbeitungsspaltes in Zusammenhang mit dem Arbeitsergebnis untersucht werden. Für die Versuche standen zwei im Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre entwickelte und gebaute Funkenerosionsmaschinen mit 13,5 bzw. 0,5 kVA Anschlußleistung zur Verfügung. Beide Maschinen arbeiten elektrisch mit Schwingkreisaufladung und ungesteuerter Entladungsfolge. Die allgemeine Versuchsanordnung zur Bestimmung der elektrischen Arbeitskennwerte zeigt Abb.2. D c M tI- -b~~~~~-.J E = Eingangsspannung RA = Widetstand im Aufladekreis LA = Induktivität im Aufladekreis C = Kond~nsator A = Anode K = Kathode D = Dielektdkumsbchälter o = Oszillograph F = Frequenzmeßgerät I = Impulszählgerät 1 ... 1.1010 M = Meßwiderstand Abb. 2 Allgemeine Versuchsanordnung Im Interesse einer allgemeinen Übertragbarkeit der Ergebnisse werden alle An gaben auf die elektrischen Daten der Einzelentladung bezogen [11]. 11 3. Elektrische Arbeitskennwerte Nach Angaben im Schrifttum [7, 8, 11] läßt sich bei einer vorgegebenen Elek trodenpaarung der im Abtragsversuch mit Zeit- oder Impulsvorgabe ermittelte Abtrag pro Entladung einer bestimmten elektrischen Arbeit zuordnen. V Wn = K1 W (Ar ges - K2 w) und VEn = K1E (Arges- K2E) Demnach ergibt sich die Abtragleistung proportional der Funkenleistung zu VWt = fr · VWn und VEt = fr · VEn STUTE [11] schränkt diese Aussage schon ein, indem er darauf hinweist, daß man wegen der unterschiedlichen Verhältnisse im Bearbeitungsspalt nicht ohne weite res von Versuchen mit Einzelentladungen auf das Ergebnis beim Arbeiten mit einer Entladungsfolge schließen kann. Darüber hinaus stellt er im untersuchten Bereich jedoch keinen Einfluß der Entladungsfolge oder Entladungsform auf das Arbeitsergebnis fest. 3.1 Mittlere Frequenz der Entladungsfolge Für verschiedene jeweils konstante Entladungsarbeiten wurde die Entladungs folge in einem möglichst großen Bereich variiert. Die geringste Frequenz ergibt sich aus den Kennwerten der Regelung sowie der Stabilität des Ladekreises und wurde so gewählt, daß die Maschine gerade noch gleichmäßig arbeitete. Die obere Grenze der Entladungsfolge ist von der Maschine her durch die Aus legung des Aufladekreises, d. h. durch die Spannung der Energiequelle, die Impedanz des Kreises und die Kapazität des Arbeitskondensators festgelegt. Vom Verfahren ist die zweite Bedingung gesetzt durch die Wiederkehr der Spannungsfestigkeit in der Entladestrecke, indem der maximal zulässige Span nungsanstieg der Aufladung einen bestimmten Wert nicht übersteigen darf. Steigt nämlich die Spannung nach der Entladung schneller an als die Entionisie rung der Elltladestrecke fortschreitet, so geht die Folge der Einzelentladungen in eine stationäre Lichtbogenentladung über. Der Mittelwert des Spannungs anstieges an der Entladestrecke errechnet sich als Quotient aus der Überschlag spannung und der Aufladezeit zu ~: (~) f = 12
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