DE2926006C2 - Anlage zur Hochtemperaturbearbeitung der eine geradlinige Mantellinie aufweisenden Oberflächen von Werkstücken aus dielektrischen Werkstoffen - Google Patents

Description

Verwendung einer stabförmigen Anode, die nur von dem Plasma bildenden Gas gekühlt wird, müf sen dagegen hochschmelzende Werkstoffe, wie Wolfram, als Anodenmaterial verwendet werden. Dabei läßt sich jedoch eine hohe Konzentration der Plasmaenergie erreichen.

Mit der Ausgestaltung der Anlage nach Anspruch 5 läßt sich ein pulsationsfreier, räumlich beständiger Plasmastrahl für die Bearbeitung erzielen.

Dabei kann in der Ausgestaltung nach Anspruch 6 eine relativ lange Einsatzzeit der Zylinder gewährleistet werden.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 im Längsschnitt eine Anlage zur Bearbeitung von rechteckigen Werkstücken,

F i g. 2 im Längsschnitt eine Anlage mit einer stiftförmigen Anode,

F i g. 3 im Längsschnitt eine Anlage mit zwei parallelen Zylindern als Anode,

F i g. 4 eine Draufsicht auf die Anlage in Richtung des Pfeils IV von Fig.3,

Fig. 5 im Längsschnitt eine Anlage zur Bearbeitung von zylindrischen Werkstücken und

Fig.6 im Längsschnitt eine Anlage zur Bearbeitung der ebenen Oberfläche eines einzigen Werkstücks.

Die in Fig. 1 gezeigte Anlage dient zur Hochtemperaturbearbeitung der Oberflächen von Werkstücken 5 in Form von Ziegeln, deren Oberflächenschicht durch Abschmelzen schützende Eigenschaften erhält und dekorativ wirkt. Die Anlage hat eine Anode 1, der in vertikaler Richtung gleichachsig gegenüberliegend eine Kathode 2 eines Plasmaerzeugers zugeordnet ist. Zwischen der Anode 1 und der Kathode 2 befindet sich eine Entladungsstrecke mit geradliniger Achse 3. Die Anlage hat weiterhin eine Vorschubeinrichtung 4, mit der sich der Abstand der Werkstücke 5, die zu bearbeitende Oberflächen 6 mit geraden Mantellinien 7 aufweisen, zur Achse 3 der Lichtbogenentladung einstellen läßt. Die Entladungsstrecke ist länger als die Längserstreckung der Mantellinien 7 der zu bearbeitenden Oberflächen 6 der Werkstücke 5. Die Kathode 2 ist ortsfest ausgebildet. Die Anode 1 ist so angeordnet, daß die Achse 3 der Lichtbogenentladung eine vorgegebene Lage beibehält.

Die Anode 1 ist bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform eine Hohlanode 8 aus Kupfer. Die Kathode 2 hat die Form eines Stiftes 9 und besteht aus Wolfram.

Der Innenraum der Hohlanode 8 mündet in einen Kanal, in welchem eine Drosselklappe 12 und eine Absaugeinrichtung in Form eines Lüfters 11 angeordnet sind. Um die Außenwand der Hohlanode 8 erstreckt sich eine Ringkammer 13, in welcher ein Kühlmedium zirkuliert. Konzentrisch zur Kammer 13 ist eine Magnetspule 14 angeordnet, mit der ein um die Achse der Anode umlaufendes Magnetfeld erzeugt wird. An der kathodenseitigen Stirnfläche der Hohlanode 8 ist eine dielektrische Zwischenschicht 16 angeordnet, auf der ein ebener Schirm 15 positioniert ist, der eine Mittelöffnung 17 aufweist, die zur Öffnung des Innenraums 10 der Hohlanode 8 gleichachsig angeordnet ist und den gleichen Durchmesser wie der Innenraum 10 aufweist. In dem Schirm 15 sind Kanäle 18 ausgebildet, die mit einem nicht gezeigten Umlaufsystem für eine Kühlflüssigkeit verbunden sind.

Die als Stift ausgebildete Kathode 2 ist mit einem zangenförmigen Halter 19 in einer Buchse 20 aus dielektrischem Werkstoff befestigt, die in ein Gehäuse 21 eingepreßt ist. Im Oberteil des Gehäuses 21 ist um das obere Ende des Stiftes 3 herum eine Düse 22 mit einer Mittelöffnung 23 angeordnet, die den Lichtbogen stabilisiert und einschnürt Die Düse 22 bildet mit der Innenfläche des Gehäuses 21 eine Ringkammer 24, die mit einem L'mlaufsystem für eine Kühlflüssigkeit in Verbindung steht Eine zwischen der Düse 22 und dem Stift 9 gebildete Kammer 25 steht mit einem Plasmagas, wie Stickstoff, enthaltenden Behälter, in Verbindung.

Die Vorschubeinrichtung 4 hat zwei gleiche Geradförderer 26, mit deren Hilfe sich die Werkstücke 5 in der ίο zur Achse 3 der Lichtbogenentladung senkrechten Ebene bei einer parallelen Lage der Mantellinien 7 der zu bearbeitenden Oberflächen 6 zur Achse 3 verstellen lassen. Die Geradförderer 26 sind symmetrisch zur Achse 3 angeordnet und haben gerade Vorsprünge 27, die sich längs der Achsen der Geradförderer 26 und symmetrisch bezüglich der Achse 3 erstrecken. Die Vorsprünge 27 dienen zur Lagefixierung der Werkstücke 5 auf den Geradförderern 26.
In Betrieb der Anlage liegt an der Anode 1 und an der Kathode 2 eine Gleichspannung an. Die Anode 1, die Kathode 2 und der Schirm 15 werden mit einem Kühlmittel gekühlt, das durch die Kammern 13 und 24 sowie durch die Kanäle 18 strömt. In die Kammer 25 wird das Plasmagas geleitet. Durch Einschalten des Lüfters 11 wird das Plasmagas aus dem Innenraum 10 der Hohlanode 8 abgesaugt Nach Zündung der Lichtbogenentladung wird der Gasdurchsatz so eingestellt, daß eine gerade und stabile Lichtbogenentladung gewährleistet ist. Durch entsprechende Einstellung der Drosselklappe 12 werden die abgesaugte Gasmenge eingestellt und der Anodenfleck der Plasmaentladung in Axialrichtung festgelegt. Wenn die Anlage in dieser Weise läuft, werden die Geradförderer 26 angetrieben, auf denen sich Werkstücke 5 befinden, deren zu bearbeitende Oberflächen 6 einander gegenüberliegen. Die Positionen der Werkstücke sind durch Andrücken an die Vorsprünge 27 so festgelegt, daß die Mantellinien 7 ihrer zu bearbeitenden Oberflächen 6 symmetrisch und parallel zur Achse 3 positioniert sind.

Mit Hilfe des von der Magnetspule 14 erzeugten Magnetfelds bewegt sich der Kontaktfleck der Lichtbogenentladung über die Fläche des Innenraums 10 der Hohlanode 8. Der Strom des abgesaugten Gases verstellt den Kontaktfleck der Lichtbogenentladung in Axialrich-

tung. Der Schirm 15 verhindert einen Überschlag der Entladung auf die Magnetspule 14 und stabilisiert die Lichtbogenentladung zwischen der Anode 1 und der Kathode 2.

Aufgrund der kontinuierlichen Verstellung der Werkstücke 5 im Kontaktbereich mit der Lichtbogenentladung wird ihre Oberfläche 6 auf der ganzen Länge der Mantellinien 7 so weit erhitzt, daß die Oberflächenschicht aufgeschmolzen wird. Nach dem Abkühlen der in dieser Weise aufgeschmolzenen Oberflächenschicht ergibt sich eine glatte Oberfläche mit homogener Struktur. Dadurch, daß der Plasmastrom auf beiden Seiten von den zu bearbeitenden Oberflächen 6 der Werkstükke 5 eingeschnürt wird, hat er eine sehr gute Stabilität, wobei durch mehrfache Reflexion der Strahlung zwisehen diesen Oberflächen 6 die Energieausnutzung sehr hoch ist, was einen guten Wirkungsgrad der Plasmaausnutzunt, ergibt.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform der Anlage besteht die Anode 1 aus einem Stift 28 aus WoIfram. Der übrige Aufbau der Anlage entspricht dem von F i g. 1. Im Betrieb der Anlage wird das Plasmagas den Kammern 25 zugeführt. Nach Zündung des Lichtbogens wird dieser in den jeweiligen Düsen 22 eingeschnürt.

Die Temperatur des Plasmastroms beträgt dabei das l,5fache des Plasmastroms der Anlage von Fig. 1. Durch die entgegengerichtete Umblasung des Plasmastroms läßt sich der Anlagenwirkungsgrad weiter steigern. An der Stelle, wo die beiden Gasströme aufeinandertreffen, ergeben sich wirbeiförmige Ausweitungen 29, deren Durchmesser den Durchmesser des Plasmaentladungsstroms um das 2 bis 2,5fache überschreitet. Durch entsprechende Einstellung der Mengenströme in den Düsen 22 der Anode 1 bzw. der Kathode 2 wird die Lage dieser wirbeiförmigen Ausweitungen 29 längs der Achse 3 so eingestellt, daß sie jeweils in den Bereich einer Kante 30 der zu bearbeitenden Werkstücke 5 gelangen, wodurch diese Kanten 30 ebenfalls aufgeschmolzen werden.

Bei der Anlage nach F i g. 3 besteht die Anode t aus zwei Zylindern 31 aus Kupfer, die parallel zueinander unter Bildung eines Spalts 32 zwischen ihnen angeordnet sind, der kleiner als der Kontaktfleck der Lichtbogenentladung an den Zylindern 31 ist. Die von den Achsen 31 der Zylinder gebildete Ebene erstreckt sich senkrecht zu der Achse 3 der Lichtbogenentladung. Die Zylinder 31 sind mit einem Drehantrieb 33 versehen, der so eingestellt ist, daß die Zylinder 31 gegeneinander gedreht werden, wobei die tangentialen Komponenten der Umfangsgeschwindigkeit der Zylinder 31 im Spalt 32 zur Kathode 2 gerichtet sind. Die Zylinder 31 und der Drehantrieb 33 sind auf einem Wagen 34 (F i g. 4) angeordnet, der eine Verstellung längs der Achsen der Zylinder 31 ermöglicht und mit einem Mechanismus 35 für seine Hin- und Herbewegung in vorgegebener Richtung verbunden ist

Mit dieser Ausführungsform läßt sich die Achse 3 der Lichtbogenentladung gut stabilisieren und an der Oberfläche der umlaufenden Zylinder 31 aktiv andrücken. Durch die Hin- und Herbewegung der Zylinder 31 läßt sich die Wärme auf ihrer Oberfläche verteilen, so daß die Entladungen nur eine minimale und gleichmäßige Oberflächenerosion verursachen können, wodurch eine lange Lebensdauer der Anlage gewährleistet ist.

Mit der in F i g. 5 gezeigten Anlage lassen sich hohlzylindrische Werkstücke bearbeiten. Die Vorschubeinrichtung besteht aus zwei Karussellförderern 37, die symmetrisch zur Achse 3 zwischen der Anode 1 und der Kathode 2 angeordnet sind und in einer zur Achse 3 senkrechten Ebene umlaufen. Die Karusselförderer 37 werden von einem nicht gezeigten Elektromotor über ein Getriebe 38 angetrieben. Auf den Karusselförderern 37 sind am Umfang Einrichtungen 39 für die restlegung und Drehung der Werkstücke 5 so angeordnet daß die Mantellinien 7 der zu bearbeitenden Oberflächen 6 sich parallel und im erforderlichen Abstand zur Achse 3 erstrecken. Die Einrichtung 39 weist einen unteren treibenden Kegel 40, der mit einem nicht gezeigten Drehantrieb über eine Reibkupplung 41 und ein Getriebe 42 verbunden ist sowie einen oberen zentrierenden Kegel 43 auf, der am Ende eines Hebels 44angebracht ist mit dem ein mit einem nicht gezeigten Antrieb verbundener Exzenter 47 zusammenwirkt Mit dem Exzenter 47 läßt sich der Hebei 44 anheben, wenn ein Werkstück 5 entfernt oder eingesetzt werden soll.

Nach dem Anlauf der Anlage, dem Einstellen der Gasmengenströme und des optimalen Abstandes der Werkstücke 5 zur Achse 3 sowie nach Einregulierung der Umlaufgeschwindigkeit der Werkstücke 5 mit Hilfe der Reibkupplung 41 wird der Antrieb für die Einrichtung 39 eingestellt Die Oberfläche 6 wird im Laufe einer Umdrehung der Werkstücke bearbeitet Gleichzeitig wird auf den Karussellförderern 37 ein weiteres Werkstückpaar 5 aufgesetzt. Wenn das erste Paar bearbeitet ist, wird der Antrieb der Einrichtung 39 abgeschaltet und der Drehantrieb der Karusselförderer 37 eingeschaltet, wodurch das nächste zu bearbeitende Paar von Werkstücken 5 in den Bereich der Lichtbogenentladung gelangt.

Bei der in F i g. 6 gezeigten Ausführungsform ist nur eine Vorschubeinrichtung 4 in Form eines Geradförderers 48 vorgesehen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Achse 3 ist ein Schirm 45 mit Kühlkanälen 46 für den Umlauf einer Kühlflüssigkeit angeordnet. Der Schirm ΛπΓιΙ-νΛΐ· /lom Dlo

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und erstreckt sich längs der Achse 3 der Lichtbogenentladung in einem solchen Abstand, daß die Einschnürung der Lichtbogenentladung und die Strahlungsreflexion in der Weise gewährleistet ist, als ob anstelle des Schirms eine weitere zu bearbeitende Oberfläche 6 eines Werkstücks 5 vorhanden wäre. Der Abstand der der Lichtbogenentladung zugewandten Oberfläche des Schirms 45 entspricht dem 0,2 bis 0,3fachen des Durchmessers der Lichtbogenentladung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anlage zur Hochtemperaturbearbeitung der eine geradlinige Mantellinie aufweisenden Oberflächen von Werkstücken aus dielektrischen Werkstoffen, mit einem Plasmaerzeuger, der eine Anode (1) und eine ihr gegenüberliegende Kathode (2) aufweist, zwischen denen sich eine die Länge der Mantellinie (7) der zu bearbeitenden Oberfläche (6) überschreitende Entladungsstrecke befindet, wobei die Kathode (2) feststehend angeordnet ist und die Anode (1) gemeinsam mit der feststehenden Kathode (2) zur Aufrechterhaltung einer fixierten L?ge der Achse (3) der Lichtbogenentladung in der Entladungsstrecke eingestellt ist, wobei die Mantelhnie (7) der zu bearbeitenden Oberfläche (6) parallel zur Achse (3) der Lichtbogenentladung verläuft, und mit einer Vorschubeinrichtung (4,37,48) zum Verschieben der Werkstücke (5) in dem erforderlichen Abstand von der Achse (3) der Lichtbogenentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenentladung durch zwei symmetrisch zur Achse der Lichtbogenentladung angeordnete Oberflächen eingeschnürt ist, von denen mindestens eine die zu bearbeitende Oberfläche (6) des Werkstücks (5) ist, das auf der Vorschubeinrichtung (4, 37, 48) in einer zur Achse (3) der Lichtbogenentladung senkrechten Ebene verschiebbar angeordnet ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite symmetrisch zur Achse der Lichtbogenentladung angeordnete Oberfläche ein wassergekühlter Schirm (45) verwendet wird, der von der Anode (1) und der Kathode (2) elektrisch isoliert angeordnet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) eine Hohlanode (8) ist, an deren Stirnfläche sich ein flacher, wassergekühlter Schirm (15) anschließt, der von der Hohlanode (8) elektrisch isoliert ist und eine Mittelöffnung (17) aufweist, die genauso groß wie die öffnung des Anodenhohlraums (10) und zu dieser gleichachsig angeordnet ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung des Kontaktflecks der Lichtbogenentladung über die Arbeitsfläche im Innenraum (10) der Hohlanode (8) eine konzentrisch zur Hohlanode (8) angeordnete Magnetspule (14) und eine mit dem Innenraum (10) der Hohlanode (8) verbundene Absaugeinrichtung (11) vorgesehen ist.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) in Form von zwei identischen Zylindern (31) ausgebildet ist, die entgegengesetzt drehbar angeordnet sind und deren Achsen parallel zueinander und senkrecht zur Achse (3) der Lichtbogenentladung verlaufen, und daß der Spalt (32) zwischen den Mantelflächen der Zylinder (31) geringer ist als der Durchmesser des Kontaktflecks der Lichtbogenentladung.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (31) auf einem beweglichen Lager (34) hin- und hergehend bewegbar angeordnet sind, um die Verschiebung des Kontaktflecks der Lichtbogenentladung über die Mantelflächen der Zylinder (31) zu ermöglichen.

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Hochtemperaturbearbeitung der eine geradlinige Mantellinie aufweisenden Oberflächen von Werkstücken aus dielektrischen Werkstoffen nach dem Oberbegriff des Patentan-Spruchs 1.

Eine solche Anlage ist aus Fig.4 der DE-OS 24 22 322 bekannt Der Plasmastrahl dieser Anlage wird aufgrund der Konvektionsströme sowie der beim Schmelzen der Werkstoffe entstehenden schnellfließenden Gasströme von der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks abgelenkt Außerdem ergibt sich bei der gewählten Kathoden-Anodenanordnung eine Plasmasti ahlaufstauung zwischen Anode und Kathode. Aufgrund dieser Effekte ergibt sich ein inhomogenes Temperaturfeld, so daß eine gleichmäßige Oberflächenbearbeitung des Werkstücks nicht gewährleistet ist und ein Großteil der Plasmaenergie nicht genutzt wird.

Bekannt ist außerdem aus der US-PS 35 84 184 für das Schmelzen der Oberfläche eines keramischen Materials eine einen Plasmastrom erzeugende Elektrode bezüglich des Materials zu bewegen, auf welchem eine Gegenelektrode aufliegt. Mit dieser Anordnung wird das Material im Oberflächenbereich so geschmolzen, daß es nach dem Erstarren eine streifige Struktur hat.

Eine glatte Oberfläche mit homogener Struktur der Oberflächenschicht ist nicht erreichbar.

Aus dem Stand der Technik sind auch die physikalischen Zusammenhänge bei der magnetischen Ablenkung des von einer Stiftelektrode ausgehenden Lichtbogenfußpunktes innerhalb einer Hohlanode bekannt (Elektrowärme International), Bd. 28, 1970, Heft 7, Seiten 374-384).

Die Anordnung einer Wolframkathode gegenüber einem Spalt zwischen zwei rotierenden, die Anoden bildenden Zylindern und die daraus resultierende Lichtbogenaufteilung ist in Journal of Physics D: Applied Physics, Band 8,1975, Seiten 964-970 beschrieben.

Schließlich ist noch bekannt, einen Gleichstromlichtbogen durch Wände einzuschnüren, um dadurch den Plasmawirkungsgrad und die Stabilität der Lichtbogenentladung zu erhöhen (IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol. NS-11. Nr. 1,1964, Seiten 104-108).

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Anlage der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei welcher unter Erhöhung des Wirkungsgrads der Anlage eine gleichmäßige Oberflächenbearbeitung der Werkstücke möglich ist. Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße Anlage hat den Vorteil, daß aufgrund der Einschnürung der Plasmastrahl stabilisiert ist und dadurch für die zu bearbeitenden Werkstücke eine glatte Oberfläche mit homogener Struktur erreichbar ist. Durch die mehrfache Strahlungsreflexion zwisehen den den Plasmastrahl stabilisierenden Wänden wird eine sehr gute Ausnutzung der Plasmaenergie und somit ein hoher Wirkungsgrad der Anlage erreicht.

Wenn nur eine Werkstückoberfläche bearbeitet wird, läßt sich die Einschnürung und der günstige Wirkungsgrad mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 verwirklichen.

Mit der Anordnung nach Anspruch 3 wird ein Überschlag des Plasmas auf die Außenfläche der Hohlanode vermieden.

Mit der im Anspruch 4 beschriebenen Anlage können Hohlanoden aus relativ niedrigschmelzenden Werkstoffen, wie Kupfer, eingesetzt werden, weil der Konlaktfleck des Plasmas im Inneren der Hohlanode lieet. Bei