DE3100342A1 - Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten eines werkstueckes - Google Patents

Description

Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Kanagawaken Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten eines

Werkstückes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstückes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 11.

Unter "Bearbeiten" soll im folgenden verstanden werden ein Materialabtragen, wie beispielsweise ein Absenken, Formen, Schneiden, Bohren oder Schleifen, bei dem Material von einem Werkstück entfernt wird, sowie ein Materialzusetzen, wie beispielsweise ein Plattieren, Auftragen oder Formen, bei dem Material aus einer Bearbeitungsflüssigkeit entfernt und dem Werkstück zugesetzt oder beigefügt wird.

Die Erfindung betrifft insbesondere (jedoch nicht ausschließlich) ein elektrisches Bearbeitungsverfahren und eine elektrische Bearbeitungsvorrichtung einschließlich der Schritte und Einrichtungen, die zum Stabilisieren des Zustandes in einem elektrischen Bearbeitungsspalt

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geeignet sind.

Unter "t Lektrischem Bearbeiten" soll im folgenden in erster Linie ein elektrisches Entladungs-Bearbeiten (EDM-Bearbeiten) verstanden werden; die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auf jede andere Form eines elektrischen Bearbeitens anwendbar, wie beispielsweise auf ein elektrochemisches Bearbeiten (ECM-Bearbeiten), ein elektrochemisches Entladungs-Bearbeiten (ECDM-Bearbeiten) und auf Elektroplattieren sowie auf nichtelektrisches oder herkömmliches Bearbeiten, das ein mechanisches oder Abrieb-Materialabtragen verwendet.

Beim elektrischen Abtragen und Zusetzen liegt - soweit dies hier von Bedeutung ist - eine Werkzeugelektrode neben einem Werkstück, um dazwischen einen sehr kleinen Bearbeitungsspalt zu bilden, wobei eine Bearbeitungsflüssigkeit oder ein Bearbeitungsmedium vorhanden ist, und ein elektrischer Strom wird zwischen die Elektrode und das Werkstück durch den flüssigkeitsgefüllten kleinen Bearbeitungsspalt geschickt, um elektrisch von der Werkstückoberfläche Material abzutragen oder dieser Material zuzusetzen. Eine Strom- bzw. Spannungsquelle zum Erzeugen des Bearbeitungsstromes ist vorzugsweise derart ausgelegt, daß ein elektrischer Strom hoher Stromdichte in dem Bereich des Bearbeitungsspaltes geliefert wird, so daß ein Materialabtragen oder -zusetzen von der bzw. auf die Werkstückfläche in enger Übereinstimmung mit der Form der Werkzeugelektrode stattfinden kann. Eine Einrichtung ist gewöhnlich vorgesehen, um von der Werkzeugelektrode und dem Werkstück eine Einheit auf die andere vorzurücken, so daß der Bearbeitungsspalt im wesentlichen konstant gehalten wird, wenn das Materialabtragen oder -zusetzen auf der Werkstückoberfläche fortschreitet.

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Man weiß seit längerem, daß das elektrische Bearbeiten eines leitenden Werkstückes, beispielsweise das elektrische Entladungs-Bearbeiten, das elektrochemische Bearbeiten oder das Elektroplattieren von Werkstückteilen, die neben einer Elektrode liegen, oft durch eine ungleichförmige Stromverteilung über dem Spalt gekennzeichnet ist, der die Elektrodenoberfläche von der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche trennt. Diese inhomogene Stromverteilung beruht zumeist auf einer Verschmutzung des Bearbeitungsmediums in der Form von Ansammlungen oder Konzentrationen von Ionen, Bearbeitungsspänen und anderen Spaltprodukten entlang der einen oder anderen Oberfläche der Elektroden. Zusätzlich hat sich die ungleichmäßige Verteilung des Stromverlaufes zwischen den Oberflächen auch teilweise abhängig von magnetischen Effekten erwiesen, die auf dem Durchgang eines Stromes zwischen der Elektrode und dem Werkstück beruhen.

Es wurde bereits darauf hingewiesen (vgl. US-PS 3 252 881), daß es möglich ist, mechanisch Ionen-Verunreinigungen in einem elektrochemischen Bearbeitungsspalt zu verlagern, indem an die Elektrode eine mechanische Schwingung auf das Werkstück zu und von diesem weg bei einer relativ niederen oder Schallfrequenz gelegt wird (beispielsweise 10 Hz oder 10 kHz). Es hat sich auch gezeigt, daß ein ähnliches Ergebnis erhalten wird, wenn gleichzeitig mit der mechanischen Schwingung der Elektrode ein gasförmiges Fluid in den Elektrolyten eingespritzt wird oder als Alternative hierzu eine Ultraschallschwingung auf den Elektrolyten in der Elektrode einwirkt. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Ultraschallschwingung eine Frequenz zwischen etwa 10 kHz und 10 MHz haben kann und durch einen Elektroschallwandler erzeugt werden sollte, der im Innern der

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rohrförmigen Elektrode befestigt ist.

Es wurde bereits erkannt, daß die Ultraschallschwingung beim ele. trischen Entladungs-Bearbeiten sowie beim Elektroplattieren verwendbar ist, um bei diesen Verfahren Spaltverunreinigungen abzuführen. Beispielsweise wurde für das elektrische Entladungs-Bearbeiten ermittelt, daß die Ultraschallschwingung zur Stabilisierung des Bearbeitungszustandes und zum Schutz des Werkstückes und der Elektrode vor Kurzschlußschäden dient. Beim Elektroplattieren neigt die Ansammlung elektrolytischer Blasen dazu, als Ergebnis der Einwirkung einer Ultraschallschwingung auf den Elektrolyten entfernt zu werden, so daß eine fein plattierte Schicht auf der Werkstückoberfläche erhalten werden kann. Bei diesen Verfahren ist es übliche Praxis, eine Ultraschallschwingung auf die Bearbeitungsflüssigkeit mittels eines Ultraschallwandlers zu übertragen.

Wenn die Form eines Werkstückes unregelmäßige Krümmungen oder Biegungen enthält oder ein tiefes Bohren oder Schlitzen einschließt und so ein zweidimensionales oder dreidimensionales Formen darstellt, hat es sich gezeigt, daß eine gleichmäßige Spaltreinigung nicht mittels eines Wandlers erzielbar ist, wenn die eine oder andere oben beschriebene Anordnung vorliegt. Es hat sich so als ein Problem mit üblichen Ultraschall-Schwingersystemen erwiesen, eine befriedigende, wirksame und gleichmäßige Spaltreinigung über der gesamten Arbeitsfläche durchzuführen, die elektrisch bearbeitet wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen eine Reinigung des Bereiches des Bearbeitungsspaltes in befriedigender, wirksamer und gleichmäßiger Weise erzielbar ist; außerdem soll die Reinigung des Bereiches von

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Bearbeitungsflächen komplizierter Konfiguration mit extrem hoher Gleichmäßigkeit erzielbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Bearbeitungsverfahren, bei dem ein Werkstück in eine Bearbeitungsflüssigkeit eintaucht, die in einem Arbeitsbehälter aufgenommen ist, und bei dem ein Werkzeug neben dem Werkstück im Arbeitsbehälter liegt, um eine Bearbeitungs-Zwischenflache dazwischen zu bilden, die mit der Bearbeitungsflüssigkeit gefüllt ist, erfindungsgemäß durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst:

Anordnen mehrerer Ultraschalleinheiten im Arbeitsbehälter derart, daß sie voneinander beabstandet sind und die Zwischenfläche in einer wellenübertragenden Beziehung hiermit umgeben,

einzelnes Erregen der Einheiten, um Ultraschallschwingungen einer Frequenz über 0,05 MHz und vorzugsweise nicht größer als 0,1 MHz sowie kleiner als 10 MHz und vorzugsweise nicht größer als 2 MHz zu erzeugen, und

Übertragen der Schwingung auf den Bereich der Zwischenfläche durch die Bearbeitungsflüssigkeit.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem Arbeitsbehälter, der eine Bearbeitungsflüssigkeit enthält und in den ein Werkstück eingetaucht ist, und mit einem Werkzeug, das in eine Lage neben dem Werkstück im Arbeitsbehälter justierbar ist, um dazwischen eine mit der Bearbeitungsflüssigkeit gefüllte Grenz- oder Zwischenfläche zu bilden; diese Vorrichtung umfaßt:

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Mehrere Ultraschalleinheiten, die im Arbeitsbehälter angeordnet und voneinander derart beabstandet sind, daß sie den Erreich der Bearbeitungs-Zwischenfläche in einer wellenü, ertragenden Beziehung hiermit umgeben, wobei jede der Einheiten einen elektromechanischen Wandler umfaßt, und

eine Strom- bzw. Spannungsquelle zum einzelnen Erregen der Wandler, um an jeder der Stellen der Einheiten Ultraschallschwingungen einer Frequenz zwischen 0,05 und 10 MHz und vorzugsweise zwischen 0,1 und 2 MHz zu erzeugen und um diese Schwingungen auf den Bereich der Bearbeitungs-Zwischenfläche durch die Bearbeitungsflüssigkeit zu übertragen.

Trotz des Vorurteils, daß Ultraschallwellen einer Frequenz über 0,05 MHz schwierig große Ausgangsschwingungen in einem flüssigen Medium liefern und keine wahrnehmbar bessere Bearbeitungsausführung erzielbar ist, hat es sich in überraschender Weise gezeigt, daß die Ultraschallwellen einer Schwingungsfrequenz über 0,05 MHz und vorzugsweise nicht kleiner als 0,1 MHz, jedoch kleiner als 10 MHz und vorzugsweise nicht größer als 2 MHz die Abtragungsrate oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit um bis 50 % im Vergleich mit der Verwendung der herkömmlichen niederfrequenten Ultraschallwellen steigern und den wirksamen Abstand des erzeugenden Ortes weg vom Ort der Bearbeitungs-Zwischenfläche erhöhen, sofern die Ultraschallwellen an mehreren beabstandeten Stellen erzeugt werden, die im Arbeitsbehälter so festgelegt sind, daß sie die Bearbeitungs-Zwischenfläche umgeben. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß eine derartige Steigerung in der Abtragungsrate mit Einheiten einer viel kleineren Ausgangskapazität erzielbar ist.

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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist jede der Ultraschalleinheiten mit einer Fluid-Einspritzdüse ausgeführt und justierbar, um diese in die Richtung der Bearbeitungs-Zwischenflache auszurichten; das Verfahren zeichnet sich dabei aus durch:

Erzeugen einer Zwangsströmung der Bearbeitungsflüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle durch jede der Düsen zur Bearbeitungs-Zwischenflache, und

Einwirken der Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen bei jeder der Einheiten auf die Zwangsströmung der Bearbeitungsflüssigkeit, die auf die Bearbeitungs-Zwischenf lache im Arbeitsbehälter gerichtet ist.

Die Flüssigkeitsquelle umfaßt vorzugsweise eine Verteilungskammer, die innerhalb oder außerhalb des Arbeitsbehälters angeordnet ist und aufweist einen Einlaß zum Empfang der Bearbeitungsflüssigkeit und Auslässe, die mit den Düsen durch Fluidleitungen verbunden sind, deren jede vorzugsweise in der Form eines flexiblen Rohres vorliegt, das sich selbst tragen kann, beispielsweise in der Form einer Röhre mit zahlreichen Verbindungsstellen. Die Verteilungskammer weist vorzugsweise innerhalb ihres Raumes einen Niederfrequenz-Schwinger auf, der schwingend die Bearbeitungsflüssigkeit bei einer niederen Frequenz von 100 Hz bis 50 kHz aktivieren oder anregen kann. Als Ergebnis hat die zwangsweise zum Bereich des Niederfrequenz-Schwingers gespeiste Bearbeitungsflüssigkeit die niederfrequenten Schall- oder Ultraschall-Schwingungen, denen bei jeder der Ultraschalleinheiten hochfrequente Ultraschallschwingungen überlagert werden.

Es hat sich gezeigt, daß dies zu einer merklichen Verbesserung in der Bearbeitungsrate bzw. -geschwindigkeit und Wirksamkeit führt, nämlich zu einer gesteigerten

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Kühlung des Werkzeuges und damit zu einer erhöhten Werkzeug-Lebensdauer, zu einer verbesserten Schärfe und damit Genauigkeit der bearbeiteten Kante und zu einer erhöhten Freiheit von der Bearbeitungsinstabilität aufgrund beispielsweise einer schädlichen Bogenentladung oder eines Kurzschlusses. Die niederfrequenten Schalloder Ultraschallschwingungen bei der Verteilungskammer und die hochfrequenten Ultraschallschwingungen am Düsen-Ort können auf die Zwangsströmung der Bearbeitungsflüssigkeit gleichzeitig oder abwechselnd einwirken.

Die hochfrequenten Ultraschallschwingungen, die auf die Zwangsströmung der Bearbeitungsflüssigkeit durch die Düse bei jeder der Einheiten einwirken, werden vorzugsweise in deren Größe abhängig von der Erfassung des Zustandes bei der Bearbeitungs-Zwischenflache abgewandelt. Somit kann die Strom- bzw. Spannungsquelle aufweisen eine Steuerschaltung, die den elektromechanischen Wandlern der Einheiten zugeordnet ist, oder Steuerschaltungen, die jeweils jedem der Wandler zugeordnet sind, um die Amplitude der hochfrequenten Ultraschallschwingungen, die auf die Bearbeitungsflüssigkeit einwirken, abhängig vom Bearbeitungszustand an der Zwischenfläche zu steuern. Der Zwischenflächenzustand kann abhängig von der Spannung, dem Strom, dem Widerstand oder der Impedanz zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erfaßt werden.

In vorteilhafter Weise sind die Ultraschalleinheiten im Arbeitsbehälter so angeordnet, daß sie die Bearbeitungs-Zwischenf lache umgeben, indem sie auf verschiedenen Wandteilen des Arbeitsbehälters derart gesichert werden, daß sie in der Richtung der Bearbeitungs-Zwischenflache ausgerichtet sind. Die elektromechanischen Wandler in diesen Einheiten können durch die Strom- bzw. Spannungsquelle synchron oder in einer Aus-Phasen-Beziehung miteinander

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erregt werden.

Es hat sich auch gezeigt, daß es manchmal vorteilhaft ist, wenn wenigstens eine der Ultraschalleinheiten, die angeordnet sind, um die Bearbeitungs-Zwischenfläche zu umgeben, arbeitet, um Ultraschallschwingungen einer Frequenz zu erzeugen, die von der Frequenz der durch die anderen Einheiten erzeugten Ultraschallschwingung verschieden ist. Alternativ kann wenigstens eine Hilfsultraschalleinheit vorgesehen werden, um zusammen mit der Folge der Primärultraschalleinheiten die Bearbeitungs-Zwischenfläche zu umgeben, und sie kann betrieben werden, um Ultraschallschwingungen einer Frequenz im Bereich von 20 bis 50 kHz zu erzeugen. Dann sind die Primäreinheiten gestaltet, um Ultraschallschwingungen einer Frequenz zwischen 0,1 und 1,6 MHz zu liefern. Es hat sich gezeigt, daß diese Maßnahme eine Steigerung in der Verschiebungsrate oder -geschwindigkeit der Bearbeitungsspäne oder -produkte liefert, die von der Bearbeitungs-Zwischenfläche abzuführen sind, so daß in einem EDM-Betrieb die Entladungs-Folgefrequenz merklich gesteigert werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Draufsicht bzw. Vordersicht

der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der drei Ultraschalleinheiten so angeordnet sind, daß sie die Bearbeitungs-Zwischenfläche in einer wellenübertragenden Beziehung mit dieser durch die Bearbeitungsflüssigkeit umgeben,

Fig. 3 eine Kurve, die erläutert, wie sich

das Ausgangssignal mit steigender

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Frequenz ändert, wobei die Frequenz der Ultraschallwellen auf der Abszisse und deren Ausgangssignal auf der Ordinate aufgetragen sind,

Fig. 4 eine Kurve, die einen optimalen Bereich der Ultraschallfrequenzen mit den Einheiten der Fig. 1 und 2 zeigt, wobei die Frequenz der Ultraschallwellen auf der Abszisse und die mittlere Geschwindigkeit der EDM-Materialabtragung auf der Ordinate aufgetragen sind,

Fig. 5 eine Kurve, die die Frequenz der Ultraschallwellen auf der Abszisse und den Abstand zwischen den Einheiten und der Bearbeitungs-Zwischenflache darstellt, der wirksam ist, um die Bearbeitungsausführung und -Wirksamkeit zu verbessern,

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Vordersicht,

die schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, bei dem mehrere Ultraschalleinheiten, die so anzuordnen sind, daß sie die Bearbeitungs-Zwischenflache umgeben, jeweils mit einer Fluidstrahldüse ausgeführt sind, wobei die Düsen über jeweilige flexible oder biegsame Rohre an eine Fluidverteilungskammer angeschlossen sind, die innerhalb oder außerhalb des Arbeitsbehälters vorzusehen ist,

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Vordersicht

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einer Vorrichtung von grundsätzlich der Art der Fig. 6 einschließlich einer elektrischen Bearbeitungs-Strom- bzw. -Spannungsquelle und einer Schaltungseinrichtung zum Erfassen des Zustandes einer elektrischen Bearbeitungs-Zwischenflache oder des Spaltes zum Steuern der Erregung der Ultraschalleinheiten,

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung, die

schematisch mehrere Ultraschalleinheiten zeigt, die derart angeordnet sind, daß sie den Bearbeitungsspalt umgeben, indem sie auf verschiedenen Wandteilen des Arbeitsbehälters befestigt sind,

Fig. 9 ein Schaltbild, das schematisch eine

Ausführungsform der Verbindung einer Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsquelle mit den mehreren Ultraschalleinheiten erläutert,

Fig. 10 ein Schaltbild, das schematisch eine

andere Ausführungsform der Verbindung der Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsquelle mit den mehreren Ultraschalleinheiten erläutert,

Fig. 11 eine Kurve, die die EDM-Abtragungsge-

schwindigkeit gegenüber der Bearbeitungstiefe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich mit herkömmlichen Systemen zeigt,

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Fig. 12 eine perspektivische Darstellung,

die schematisch mehrere Ultraschalleinheiten zeigt, die in einer zur Fig.8 ähnlichen Weise angeordnet, jedoch in eine erste und in eine zweite Gruppe unterteilt sind, die bei einer höheren Ultraschallfrequenz bzw. einer niedrigeren Ultraschallfrequenz arbeiten, und

Fig. 13 ein Schaltbild, das schematisch ein

Strom- bzw. Spannungsversorgungssystem zum Erregen der Ultraschalleinheiten der Fig. 12 zeigt.

Funktion, Aufbau und Vorteile der Erfindung werden im folgenden zunächst anhand von Versuchsergebnissen erläutert, die auf dem elektroerosiven Bearbeiten eines Werkstückes aus einem kaltbearbeiteten Gesenkstahl SKD-11 mit einer zylindrischen Kupferelektrode eines Durchmessers von 50 mm beruhen. In den Fig. 1 und 2 sind eine Werkzeugelektrode 1 und ein Werkstück 2 sowie mehrere - in diesem Beispiel drei - Ultraschalleinheiten 3, 4 und 5 gezeigt, die derart angeordnet sind, daß sie den Bereich der Bearbeitungs-Zwischenflache oder den zwischen der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 2 gebildeten Spalt bei Vorliegen einer Bearbeitungsflüssigkeit, beispielsweise eines flüssigen Kohlenwasserstoffes oder destillierten Wassers, das in einem nicht gezeigten Arbeitsbehälter aufgenommen ist, umgeben. Die Einheiten 3, 4 und 5 sind mit gleicher Entfernung D vom Rand des Bearbeitungsspaltbereiches angeordnet und einzeln ausgerichtet, um bei jeder Einheit erzeugte Ultraschallwellen auf

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den Bearbeitungsspaltbereich durch die Bearbeitungsflüssigkeit zu richten. Die Einheiten 3, 4 und 5 weisen einzeln elektromechanisch^ Wandler auf, die synchron miteinander durch eine Strom- bzw. Spannungsquelle erregbar sind.

In Versuchen wurden Kerosin oder Paraffin für die Bearbeitungsflüssigkeit verwendet, und die EDM-Bearbeitungsparameter wurden so gewählt, daß eine Oberflächenrauhigkeit von 6 ,um R entstand. Dann wurden unter Veränderung der Frequenz F der Schwingungen der Wandler und des Abstandes D die mittlere Abtragungsrate (Bearbeitungsgeschwindigkeit) und der größte effektive Abstand D , bis eine gegebene Bearbeitungstiefe erreicht max

war, gemessen und in den Fig. 4 und 5 aufgetragen. In diesem Fall hatten die bei Frequenzen nicht größer als 200 kHz arbeitenden Wandler eine Ausgangsleistung von 20 W, und Wandler bei Frequenzen zwischen 500 und 800 kHz hatten eine Ausgangsleistung von 15 W. Weiterhin hatten bei 1,6 MHz bzw. bei 2 MHz arbeitende Wandler eine Ausgangsleistung von 10 bzw. 8 W. Die Beziehung zwischen der Frequenz und der Ausgangsleistung der verwendeten Wandler ist in Fig. 3 aufgetragen.

Aus den Fig. 4 und 5 ist zu ersehen, daß die mittlere Abtragungsrate bzw. -geschwindigkeit und der maximale effektive Abstand D jeweils konstant sind, wenn die Frequenzen der Schwingungen oder Ultraschallwellen kleiner als gegebene Werte sind. Wenn diese Werte überschritten werden, nehmen die Abtragungsrate und der maximale effektive Abstand D beide merklich zu. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, daß die mittlere Abtragungsrate und der maximale effektive Abstand beide konstant und unabhängig von der Frequenz sind, wenn die Frequenz kleiner als 100 kHz ist. Wenn die Frequenz zwischen 100 kHz und 2 MHz

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und insbesondere zwischen 300 und 1 MHz liegt, wird jedoch eine merkliche Steigerung hinsichtlich der mittleren Abtragungsrate und des maximalen effektiven Abstandes D trotz ejner Verringerung der Ultraschall-Ausgangsleistung erreicht. Eine Steigerung bis zum 1,5-fachen der Abtragungsrate und eine Steigerung bis zum 2-fachen des maximalen effektiven Abstandes D sind tatsächlich überraschend.

Es hat sich allgemein bestätigt, daß - wenn die Schwingungsfrequenz der Ultraschallwellen, die von den Ultraschalleinheiten ausgesandt werden, die den Bearbeitungsspaltbereich umgeben, im angegebenen Bereich liegt - das Bearbeiten bei einer rascheren Rate oder Geschwindigkeit erfolgt, um zu einer gegebenen Oberflächenrauhigkeit zu führen, und eine glattere Oberflächengüte bei einer gegebenen Abtragungsrate liefert. Weiterhin wird die Bearbeitungsausführung stabiler, und das Steuern des Bearbeitungsbetriebes wird erleichtert.

Fig. 6 zeigt ein Fluid-Strahlsystem zum elektrischen Bearbeiten, insbesondere für einen EDM-Betrieb, nach der Erfindung. Das System umfaßt ein Gehäuse 11, in dem elastisch eine Fluidverteilungskammer 12 mit einem Fluideinlaß 12a befestigt ist. Die Kammer 12 hat als Auslässe eine Vielzahl flexibler oder biegsamer, jedoch sich selbst tragender Rohre 13, 14 und 15, beispielsweise in der Form von Röhren mit zahlreichen Verbindungsstellen aus rostfreiem Stahl oder von Vinylchloridröhren, die daran angeschlossen sind, um ein Bearbeitungsfluid zu verteilen, das vom Einlaß 12a in diese Rohre eingespeist ist.

An den einzelnen freien Enden der Rohre 13, 14 und 15 sind Ultraschalleinheiten 3, 4 und 5 angebracht, die in der anhand der Fig. 1 und 2 oder weiter unten beschrie-

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benen Weise anzuordnen sind. Jede Ultraschalleinheit 3, 4 und 5 umfaßt einen elektromechanischen Wandler 3a, 4a und 5a sowie ein Horn oder einen Trichter 3b, 4b, 5b mit mittleren öffnungen, die miteinander übereinstimmen, um eine Fluid-Strahldüse zu bilden, damit jede der durch die Rohre 13, 14 und 15 verteilten Strömungen ausgespritzt und auf den Bereich des Bearbeitungsspaltes gerichtet wird. Die Wandler 3a, 4a werden durch eine Strom- bzw. Spannungsquelle 10 erregt, um ültraschallschwingungen einer Frequenz im Bereich zwischen 0,5 und 10 MHz, vorzugsweise zwischen 0,1 und 2 MHz, zu erzeugen, und um über das Horn 3b, 3c und 3d die Schwingungen an jede ausgespritzte Strömung der Bearbeitungsflüssigkeit zu legen, die auf den Bereich des Bearbeitungsspaltes gerichtet ist.

Die Verteilungskammer 12 ist vorzugsweise weiterhin mit einer Einrichtung zum schwingenden Aktivieren oder Anregen der darin enthaltenen Bearbeitungsflüssigkeit bei einer Schall- oder tieferen Ultraschallfrequenz, beispielsweise zwischen 100 Hz und 50 kHz, ausgestattet. Diese Einrichtung ist gezeigt mit einer schwingungsfähigen Platte 21, die auf einem Stab 22 gelagert ist, der in der Kammer 12 vorgesehen ist, und sie kann mit diesem bei der Frequenz von einem elektromagnetischen System 23 hin- und herfahren, das durch eine Strom- bzw. Spannungsquelle 24 erregt ist. Der Stab 22 ist elastisch auf der Bodenwand des Gehäuses 11 durch eine Feder 25 befestigt. Zwei Begrenzungsstifte 26 sind in der Kammer 12 vorgesehen, um die unterste Stellung der schwingungsfähigen Platte 21 festzulegen.

Infolge dieser Hilfsschwingungseinrichtung hat jede von jeder Ultraschall/Düseneinheit 3, 4, 5 eingespritzte Fluidstrahl-Strömung die niederfrequenten Schwingungen, denen die hochfrequenten Ültraschallschwingungen aufgrund des Betriebs der Wandler 3a, 3b, 3c überlagert sind. Als

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Ergebnis hat sich gezeigt, daß Späne und Teer, die am Bearbeitungsspalt durch das elektroerosive Bearbeiten erzeugt werden, leie'iter vom kleinen Bearbeitungsspalt oder der ZwischenfIac/e entfernt werden. Zusätzlich ist der Kühleffekt für die Werkzeugelektrode verbessert, was eine gesteigerte Lebensdauer gewährleistet, die Schärfe einer bearbeiteten Kante ist verbessert, und die Abtragungsrate oder -geschwindigkeit ist erhöht.

Fig. 7 zeigt eine Verteilungskammer 12, ein Gehäuse 11 und flexible Rohre 13, 14 und 15 in einer zur Fig. 6 ähnlichen Form, wobei die Rohre an ihren jeweiligen freien Enden ültraschalleinheiten 3, 4 und 5 besitzen, die so angeordnet sind, daß sie den Bereich des Bearbeitungsspaltes G umgeben, der zwischen einer EDM-Elektrode 1 und einem Werkstück 2 gebildet ist, das in eine Bearbeitungsflüssigkeit 27 eintaucht, die in einem Arbeitsbehälter 28 aufgenommen ist. Die Werkzeugelektrode 1 und das Werkstück 2 sind mit einer EDM-Strom- bzw. -Spannungsquelle 29 verbunden, die eine Reihe elektrischer Bearbeitungsimpulse an den mit der dielektrischen Flüssigkeit gefüllten Bearbeitungsspalt G liefert, um Material vom Werkstück 2 abzutragen. Während des Ablaufes eines Bearbeitungsbetriebes kann die Werkzeugelektrode 1 dreidimensional verschoben werden, um einen Hohlraum 2a im Werkstück 2 zu bilden.

Die Hochfrequenz-Ultraschall-Strom- bzw. -Spannungsquelle 10 ist mit den jeweiligen Wandlern der Ultraschalleinheiten über eine Parallelverbindung eines Widerstandes 31 und eines Ein-Aus-Schalters 32 verbunden, der hier durch einen Zuführungsschalter gezeigt ist, der durch eine elektromagnetische Spule 33 betrieben wird. Ein Fühlerwiderstand liegt an der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 2 parallel mit der EDM-Strom- bzw. -Spannungsquelle, um den EDM-Spaltzustand abhängig von der am Widerstand 34 erfaßten Spannung zu ermitteln. Eine Steuerschaltung 35 spricht auf die er-

faßte Spannung an und ist so ausgelegt, daß die Spule 33 erregt wird, wenn die Spannung unter einen vorgewählten Schwellenwertpegel absinkt. Somit liegt in einem normalen oder befriedigenden Bearbeitungszustand der Widerstand 31 in der Schaltung zwischen der Strom- bzw. Spannungsquelle 10 und jeder der Ultraschalleinheiten 3, 4 und 5, um die Ultraschallwellen bei jeder Einheit auf einen begrenzten Pegel erzeugen zu können. Wenn die Spaltspannung unter den Schwellenwert abfällt, was einen Kurzschlußzustand aufgrund eines Verstopfens des Spaltbereiches mit Bearbeitungsprodukten wiederspiegelt, wird die Spule 33 erregt, um den Schalter 32 zu schließen, wodurch der Strombegrenzungswiderstand 31 nebengeschlossen oder die Strombzw. Spannungsquelle 10 direkt an jeden Wandler der Einheiten 3, 4 und 5 angeschlossen wird. Die Einheiten 3, 4 und 5 sind so erregt, um die Ultraschallwellen bei einem höchsten Pegel zu erzeugen, damit die Spaltreinigung verstärkt wird. Während das Gehäuse 11 außerhalb des Arbeitsbehälters 28 angeordnet gezeigt ist, kann es auch in diesem vorgesehen werden.

In einem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind sechs ähnliche Ultraschalleinheiten 3, 4, 5, 6, 7 und 8 so angeordnet, daß sie den Bereich eines EDM-Spaltes oder einer Zwischenfläche zwischen der aktiven Elektrodenoberfläche 1a einer Werkzeugelektrode 1 in der Form eines Kegels und einem Werkstück 2 in der Form eines rechteckigen Blockes umgeben, der auf zwei Rampen im Arbeitsbehälter 28 gelagert ist, der eine Bearbeitungsflüssigkeit bis zu einem Pegel enthält, so daß die Einheiten 3 bis 8 sowie der Bereich des Bearbeitungsspaltes G vollständig darin eintauchen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine der Ultraschalleinheiten 3 schwenkbar auf einem gegabelten Lagerarm 37 gelagert und einstellbar an dessen Griffen 37a und 37b mittels einer Schraube oder eines Bolzens 38 ge-

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sichert gezeigt, wobei der Stab zum oberen Ende hin in eine Röhre 37c eingepaßt ist, die auf einer gegabelten Armunterlage 39 gelagert und daran mittels einer Schraube oder eines Bozens 40 einstellbar gesichert ist. Die Stellung der Röhre 37c auf dem Armstab 37 und damit die Trägerlänge des letzteren von der Armunterlage 39 oder die vertikale Stellung der Ultraschalleinheit 3 ist durch einen Stift 41 einstellbar. Die Armunterlage 39 ist gleitend auf einer Führungsschiene 42 beweglich, die auf einer inneren Seitenwand 28a des Arbeitsbehälters 28 ausgeführt ist. Die Stellung der Armunterlage 39 auf der Führungsschiene 42 und damit die horizontale Stellung der Einheit 3 ist durch einen Stift oder eine Klemme 43 einstellbar. Die Winkel- oder Schwenkstellung der Einheit 3 auf den Griffen 37a und 37b des Lagerarmes 37 und damit die Winkelausrichtung der Einheit 3 im System ist durch die Einstellung der Schraube oder des Bolzens 38 einstellbar. Die anderen ültraschalleinheiten 4, 5, 6, 7 und 8 sind in ähnlicher Weise auf Seitenwandteilen des Arbeitsbehälters 28 gelagert, obwohl dies zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt ist.

Die ültraschalleinheiten 3, 4,5, 6, 7 und 8 enthalten ihre jeweiligen elektromechanischen Wandler, die jeweils ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Element oder ein magnetostriktives Element umfassen, die in Phase miteinander an den Hochfrequenzgenerator 10 angeschlossen sind, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Die Schaltungsanordnung kann abgewandelt werden, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist, um einen Verstärker 10a, 10b, 10c, 1Od, 10f zwischen dem Generator 10 und jedem der Wandler der Einheiten 3, 4, 5, 6, 7 und 8 aufzuweisen.

Beispiel:

Ein Werkstück aus SKD-11-Stahl wird elektroerosiv

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mit einer Kupferelektrode als Werkzeug und Kerosin als Bearbeitungsflüssigkeit bearbeitet, während zahlreiche Ultraschalleinheiten benutzt werden, die jeweils bei einer Frequenz von 0,8 MHz arbeiten. Die EDM-Impulse haben eine Ein-Zeit oder Impulsdauer von 10 /US, eine Aus-Zeit oder ein Impulsintervall von 5 ,us und einen Spitzenstrom von 25 A. Die Ergebnisse sind in der Kurve der Fig. 11 gezeigt, in der die EDM-Abtragungsrate (g/mm) auf der Ordinate und die Bearbeitungstiefe (mm) auf der Abszisse aufgetragen sind. In dieser Figur gilt eine Kurve A für eine einzige Ultraschalleinheit, eine Kurve B für zwei Ultraschalleinheiten und eine Kurve C für vier Ultraschalleinheiten.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 12 verwendet eine erste Gruppe von Ultraschalleinheiten 3, 4 und 5, die bei einer hohen Ultraschallfrequenz im Bereich zwischen 0,1 und 1,6 MHz arbeiten, und eine zweite Gruppe von Ultraschalleinheiten 6, 7 und 8, die bei einer niederen Ultraschallfrequenz im Bereich zwischen 20 und 50 kHz arbeiten, wobei die Einheiten 3 bis 5 und die Einheiten 6 bis 8 in jeder Gruppe symmetrisch so angeordnet sind, daß sie den Bearbeitungsspaltbereich zwischen dem Werkzeug 1 und dem Werkstück 2 in dem Arbeitsbehälter 28 in der oben erläuterten Weise umgeben.

Wie in der Fig. 13 gezeigt ist, werden die Einheiten 3, 4 und 5 in der ersten Gruppe in Phase miteinander durch eine Strom- bzw. Spannungsversorgung 100 aus einer Gleichstromquelle 101, einem Hochfrequenzoszillator 102 und einem Verstärker 103 erregt, während die Einheiten 6, 7 und 8 in der zweiten Gruppe in Phase miteinander durch eine Strom- bzw. Spannungsversorgung 104 aus einer Gleichstromquelle 105, einem Niederfrequenzoszillator 106 und einem

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Verstärker 107 versorgt werden.

Die Erf i .ldung ermöglicht so ein Verfahren und eine Vorrichtung σ im Bearbeiten, insbesondere zum elektroerosiven Bearbeiten, wobei der Wirkungsgrad, die Stabilität und der Arbeitsablauf wesentlich verbessert sind.

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Claims (25)

1. Ansprüche

   (1.[Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes, bei dem das Werkstück in eine in einem Arbeitsbehälter enthaltene Bearbeitungsflüssigkeit eintaucht und bei dem ein Werkzeug neben dem Werkstück im Arbeitsbehälter angeordnet ist, um eine Bearbeitungs-Zwischenflache dazwischen zu bilden, die mit der Bearbeitungsflüssigkeit gefüllt ist,

   gekennzeichnet

   durch

   - Anordnen mehrerer Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) im Arbeitsbehälter (11) derart, daß diese voneinander beabstandet sind und den Bereich der Zwischenfläche in einer wellenübertragenden Beziehung hiermit durch die Bearbeitungsflüssigkeit umgeben, und

   - einzelnes Erregen der Einheiten (3, 4, 5), um Ultraschallschwingungen einer Frequenz zwischen 0,5 und 10 MHz zu erzeugen und um die Schwingungen auf den Bereich der Zwischenfläche durch die Bearbeitungsflüssigkeit zu übertragen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Frequenz im Bereich zwischen 0,1 und 2 MHz gewählt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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   - daß jede der Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) mit einer Düse ausgestaltet und justierbar ist, um die Düse in der Richtung der Bearbeitungs-Zwischenfläche auszurichten,

   - daß eine Zwangsströmung der Bearbeitungsflüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle durch jede Düse zur Bearbeitungs-Zwischenfläche erzeugt wird, und

   - daß die Ultraschallschwingungen bei jeder der Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) an die Zwangsströmung der Bearbeitungsflüssigkeit gelegt werden, die auf die Bearbeitungs-Zwischenfläche im Arbeitsbehälter (11) gerichtet ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3,
   gekennzeichnet durch

   - schwingendes Aktivieren bei einer Frequenz von 100 Hz bis 50 kHz der Zwangsströmung der Bearbeitungsflüssigkeit vor einem Eintritt in die Düse.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch

   - Erfassen des Zustandes der Bearbeitungs-Zwischenfläche, um ein diesen darstellendes elektrisches Signal zu erzeugen, und

   - Steuern wenigstens eines Parameters der Ultraschallschwingungen abhängig vom elektrischen Signal.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) in Phase miteinander durch eine Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsversorgung erregt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1,

   31003A2

   gekennzeichnet durch

   - Anordnen wenigstens einer zusätzlichen Ultraschalleinheit, die "lei einer Frequenz von 20 kHz bis 50 kHz in einer well^.nübertragenden Beziehung mit dem Bereich der Bearbeitungs-Zwischenflache durch die Bearbeitungsflüssigkeit arbeitet.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß eine Vielzahl derartiger zusätzlicher Ultraschalleinheiten vorgesehen wird, um den Bereich der Bearbeitungs-Zwischenf lache zu umgeben.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß die zusätzlichen Ultraschalleinheiten in Phase miteinander durch eine Niederfrequenz-Strom- bzw. Spannungsversorgung unabhängig von der Hochfrequenz-Strom- bzw. -Spannungsversorgung erregt werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß das Werkzeug (1) eine elektrische Entladungs-Bearbeitungs-Werkzeugelektrode ist, und

    - daß die Bearbeitungsflüssigkeit eine dielektrische Flüssigkeit ist.
11. 11. Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstückes mit einem Arbeitsbehälter, der eine Bearbeitungsflüssigkeit enthält, in die das Werkstück eintaucht, bei der ein Werkzeug neben dem Arbeitsbehälter justierbar ist, um dazwischen eine mit der Bearbeitungsflüssigkeit gefüllte Bearbeitungs-Zwischenflache zu bilden,

    gekennzeichnet durch

    130047/QUf

    - eine Vielzahl von Ultraschalleinheiten (3, 4, 5), die im Arbeitsbehälter (11) angeordnet und voneinander so beabstandet sind, daß sie den Bereich der Bearbeitungs-Zwischenflache in einer wellenübertragenden Beziehung hiermit umgeben, wobei jede der Einheiten einen elektromechanischen Wandler (3a, 4a, 5a) aufweist, und

    - eine Strom- bzw. Spannungsversorgung (10) zum einzelnen Erregen der Wandler (3a, 4a, 5a), um an jeder der Stellen der Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) Ultraschallschwingungen einer Frequenz zwischen 0,05 und 10 MHz zu erzeugen, und um diese Schwingungen zum Bereich der Bearbeitungs-Zwischenflache durch die Bearbeitungsflüssigkeit zu übertragen.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß die Wandler (3a, 4a, 5a) und die Strom- bzw. Spannungsversorgung (10) gestaltet sind, um die Ultraschallschwingungen bei einer Frequenz zwischen 0,1 und 2 MHz erzeugen.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß jede der Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) mit einer Flüssigkeits-Einspritzdüse ausgestattet und justierbar ist, um diese in der Richtung des Bereiches der Bearbeitungs- Zwischenfläche auszurichten, so daß eine Zwangsströmung der Bearbeitungsflüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle durch jede der Düsen zur Bearbeitungs-Zwischenflache entsteht, und

    - daß jede der Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) gestaltet ist, um die Ultraschallschwingungen auf jede der Zwangsströmungen der Bearbeitungsflüssigkeit anzulegen, die zu der Bearbeitungs-Zwischenflache im Arbeitsbehälter

    (11) gerichtet ist.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß die Flüssigkeitsquelle eine Vertexlungskaituner

    (12) mit einem Flüssigkeitseinlaß (12a) zur Aufnahme der Bearbeitungsflüssigkeit und mit mehreren Flüssigkeitsauslässen aufweist, die jeweils an die Düsen durch einzelne Fluidleitungen (13, 14, 15) angeschlossen sind.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß jede der einzelnen Fluidleitungen (13, 14, 15) ein biegsames oder flexibles Rohr aufweist, das sich selbst tragen kann, um ein Justieren der zugeordneten Ultraschalleinheit (3, 4, 5) an einer vorbestimmten Stelle und mit einer vorbestimmten Ausrichtung zu erlauben.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß das biegsame und sich selbst tragende Rohr eine metallische Röhre mit vielen Verbindungsstellen ist.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß die Verteilungskammer (12) im Arbeitsbehälter (11) angeordnet werden kann.
18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 14,
    gekennzeichnet durch

    - eine Niederfrequenz-Schwingereinrichtung in der Verteilung skammer (12) zum schwingenden Aktivieren der darin enthaltenen Bearbeitungsflüssigkeit bei einer Frequenz zwischen 100 Hz und 50 kHz.

    130047/0441
19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 13, gekennzeichnet durch

    - einen Detektor zum Erfassen der elektrischen Zustände an der Bearbeitungs-Zwischenflache, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, und

    - eine auf das elektrische Signal ansprechende Steuereinrichtung zum Einwirken auf die Strom- bzw. Spannungsversorgung (10), um wenigstens einen Parameter der Ultraschallschwingungen zu steuern, die bei jeder der Ultraschalleinheiten (3, 4,5) erzeugt sind.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß jede der Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) lösbar an einem Seitenwandteil des Arbeitsbehälters (11) über eine erste Einstelleinrichtung zum Einstellen von deren vertikaler Stellung, eine zweite Einstelleinrichtung zum Einstellen von deren horizontaler Stellung und eine dritte Einstelleinrichtung zum Einstellen von deren Winkelstellung befestigt ist, wobei diese Einstelleinrichtungen voneinander unabhängig sind.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß jede der Ultraschalleinheiten (3, 4, 5) einen elektromechanischen Wandler (3a, 4a, 5a) aufweist, und

    - daß jeder der Wandler (3a, 4a, 5a) in Phase mit anderen Wandlern an einen gemeinsamen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, der die Strom- bzw. Spannungsversorgung (10) bildet.
22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21,

    130047/0U1

    dadurch gekennzeichnet,

    - daß der elektromechanisch^ Wandler (3a, 4a, 5a) aus der Klasse jewählt ist, die aus einem piezoelektrischen Eleme t, einem elektrostriktiven Element und einem magnetostriktiven Element besteht.
23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    gekennzeichnet durch

    - wenigstens eine zusätzliche Ultraschalleinheit, die im Arbeitsbehälter (11) in einer wellenübertragenden Beziehung mit dem Bereich der Bearbeitungsflüssigkeit angeordnet und durch eine von der Strom- bzw. Spannungsversorgung unabhängige weitere Strom- bzw. Spannungsversorgung erregbar ist, um Ultraschallschwingungen bei einer Frequenz von 20 kHz bis 50 kHz zu erzeugen.
24. 24. Vorrichtung nach Anspruch 21,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß mehrere derartige zusätzliche Ultraschalleinheiten vorgesehen sind, um den Bereich der Bearbeitungs-Zwischenflache zu umgeben.
25. 25. Vorrichtung nach Anspruch 24,
    dadurch gekennzeichnet,

    - daß die zusätzlichen Ultraschalleinheiten in Phase miteinander an die weitere Strom- bzw. Spannungsversorgung angeschlossen sind.

    130047/0U1