DE3119471A1

DE3119471A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektrischen bearbeiten eines leitenden werkstueckes

Info

Publication number: DE3119471A1
Application number: DE19813119471
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokyo Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1980-05-15
Filing date: 1981-05-15
Publication date: 1982-01-28
Also published as: IT8148479A0; US4424433A; GB2075898B; GB2075898A; IT1142515B; DE3119471C2; JPS56163832A; FR2482500A1; FR2482500B1

Description

Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Kanagawaken, Japan

Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Bearbeiten eines leitenden Werkstückes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Bearbeiten eines leitenden .Werkstückes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 4 und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines leitenden Werkstückes mit einer leitenden Elektrode, wobei Ultraschallwellen in neuartiger Weise auf den Bereich der Elektrode einwirken, um eine gesteigerte Abtragungsgeschwindigkeit bzw. -rate zu erzielen.

Die Bezeichnungen "Elektrobearbeiten", "elektrisches Bearbeiten" und "zum elektrischen Bearbeiten) werden hier verwendet, um auf eine allgemeine Bearbeitungstechnik zu verweisen, bei der ein elektrischer Strom zwischen einer Elektrode und einem eine Gegenelektrode bil-

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denden Werkstück durch einen flüssigkeitsgefüllten Bearbeitungsspalt fließt, um auf das Werkstück durch elektroerosives Abtragen von Material vom Werkstück, durch elektrisches oder elektrolytisches Zusetzen von Material aus einem Elektrolyten auf das Werkstück oder durch elektrisches Wärmebehandeln der Oberfläche des Werkstückes

einzuwirken (vgl. hierzu auch DE-OS 30 41 128, 31 00 342, 31 02 044). Typische Verfahren eines Elektrobearbeitens umfassen ein elektrisches Entladungs-Bearbeiten (EDM), ein elektrochemisches Bearbeiten (ECM), ein elektrochemisches Entladungs-Bearbeiten (ECDM) mit einer geformten oder festen Elektrode oder mit einer kontinuierlichen Draht- oder ähnlichen Elektrode, ein Elektroabscheiden und ein elektrolytisches (Entladungs-)Aufheizen.

In den oben angegebenen DE-OSen wird darauf hingewiesen, daß die Einstrahlung von Ultraschallwellen auf den Bereich eines zwischen einer Elektrode und einem Werkstück gebildeten elektrischen BearbeitungsSpaltes im allgemeinen zu einer Verbesserung im Bearbeitungswirkungsgrad und in den Ergebnissen führt. Diese DE-OSen sehen so einen oder mehrere Wellensender vor, die in ein flüssiges Bearbeitungsmedium eingetaucht sind und in einer gegebenen Entfernung von dem Bereich des Bearbeitungsspaltes liegen. Die an jedem Sender erzeugten Ultraschallwellen breiten sich durch das flüssige Medium aus und können über Grenzschichten, die gewöhnlich neben der Elektrodenoberfläche vorhanden sind, eindringen, um die Elektrodenoberfläche in einen hochangeregten Zustand zu bringen. Dynamische Erscheinungen werden so am Ort des Spaltes hervorgerufen, um die Bearbeitungsflüssigkeit und darin erzeugte Ionen und Bearbeitungsprodukte umzurühren oder zufällig bzw. beliebig zu bewegen, so daß die Abfuhr von Spaltabfällen gefördert und eine kontinuierliche Er-

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neuerung des Bearbeitungsmediums am Ort des Spaltes möglich ist. Es hat sich gezeigt, daß ein derartiges Vorgehen zu einer Steigerung in der Bearbeitungsgeschwindigkeit oder -rate und zu verbesserten Bearbeitungsergebnissen führt. In den früher beschriebenen Vorrichtungen wirken aber zur Erzielung der Vorteile der Ultraschallstrahlung die Wellen aus einer einzigen seitlichen Nähe oder aus zwei oder mehr wechselseitig entfernten Stellen ein, die vom Ort des Spaltes entfernt .sind. Als Ergebnis bestehen ein großer Bereich oder Bereiche einer Stagnation, die der Strahlung nicht immer unterworfen sind, auf der Elektrodenoberfläche. Die Spaltverunreinigungen neigen so dazu, sich an diesen Bereichen aufzubauen, und dort entwickelt sich leicht ein Zustand eines Lichtbogens oder Kurzschlusses, der die Erzielung der gewünschten Effekte behindert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum elektrischen Bearbeiten anzugeben, das Ultraschallwellen verwendet, wobei die Strahlung der Ultraschallwellen in optimaler Weise ausgeführt wird, um eine stark gesteigerte Bearbeitungsgeschwindigkeit oder -rate und gute Ergebnisse zu erzielen; außerdem soll eine Vorrichtung zum elektrischen Bearbeiten geschaffen werden, die eine hochwirksame Ultraschall-Strahlungseinrichtung umfaßt, die gegenüber dem Stand der Technik eine wesentlich verbesserte Bearbeitungswirksamkeit und vorteilhaftere Ergebnisse erzielen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 4 erfindungsgemäß durch die im jeweiligen kennzeichnenden Teil angege-

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benen Merkmale gelöst.

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

Fig. 1 eine im wesentlichen geschnittene schematische Vordersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung für ein Drahtschneid-Elektroerosions-Bearbeitungssystem,

Fig. 2A, Schnitte ringförmiger ültraschall-2B und 2C schwingungs-Plattenglieder mit ringförmigen Wellensendeflachen, die mit verschiedenen Profilen geformt sind, für die in Fig. 1 und folgende Figuren gezeigte Vorrichtung,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung für ein Absenk-Elektroerosions-Bearbeitungssystem oder ein Elektroabscheidungssystem,

Fig. 4 eine ähnliche Darstellung, die schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung für ein Tiefloch-Elektroerosionssystem oder ein Elektroabscheidungssystem zeigt, und

Fig. 5 eine ähnliche Darstellung, die schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung für ein System zum Elektroabscheiden oder elektrolytischen (Entladungs-)Aufheizen einer metallischen Oberfläche mit komplizierten Profilen zeigt.

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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft auf ein Drahtschneid-Elektroerosions-Bearbeitungssystem anwendbar, das schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. In diesem System besteht die Bearbeitungselektrode aus einem kontinuierlichen Draht oder einem ähnlichen länglichen Körper 1. Die Drahtelektrode 1, die beispielsweise aus Kupfer oder Messing zusammengesetzt sein und eine Dicke von 0,05 bis 0,5 mm aufweisen kann, wird kontinuierlich zwischen einer Zufuhr- oder Vorratsseite 2, die durch eine Abwickelspule gezeigt ist, und einer Samme1- oder Aufnahmeseite 3 transportiert, die durch eine Aufwickelspule dargestellt ist. In der Bahn des Drahtlaufes sind zwei Führungsglieder 4 und 5 vorgesehen, um die Drahtlaufrichtung von der Zufuhrseite 2 zum Bereich eines Werkstückes W und von dem zuletzt genannten Bereich zur Aufnahmeseite 3 jeweils zu ändern. Eine Kombination von Antriebs- und Bremsrollen (beide sind nicht gezeigt), die gewöhnlich in der Drahtlaufstrecke vorgesehen sind, bestimmt eine gewünschte Geschwindigkeit oder Rate des axialen Drahtlaufes und eine gewünschte (mechanische) Spannung, die auf die laufende Drahtelektrode einwirkt. Die Führungsglieder 4 und 5 können verwendet werden, um die Achse der Drahtelektrode 1 dazwischen in eine beabstandete Bearbeitungsstellung mit dem Werkstück W zu bringen, das linear durch die Drahtelektrode 1 durchsetzt wird.

Ein flüssiges Bearbeitungsmedium, wie beispielsweise destilliertes Wasser, das nach dem Ionenaustauschen von Trinkwasser zugeführt wird, wird durch eine Düse 6 auf die Laufdrahtelektrode 1 gespeist und darauf in den Bearbeitungsspalt im Werkstück W gebracht. Eine übliche Elektroerosions-Strom- bzw. -Spannungsversorgung 7 hat einen Ausgangsanschluß, der elektrisch mit der Drahtelek-

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trode 1 über eine Bürste 8 verbunden ist, und einen weiteren Ausgangsanschluß, der elektrisch mit dem Werkstück W über einen (nicht gezeigten) Leiter verbunden ist, um einen elektrischen Bearbeitungsstrom, insbesondere oder vorzugsweise in der Form einer Folge von Impulsen, zwischen die Drahtelektrode 1 und das Werkstück W über den mit einer Flüssigkeit gefluteten Spalt zu legen, wodurch elektroerosiv Material vom Werkstück W abgetragen wird. Mit fortschreitender Materialabtragung wird das Werkstück W quer zur Achse der Drahtelektrode 1 entlang einer vorgeschriebenen Bahn verschoben, um ein gewünschtes Profil im Werkstück W zu bilden.

Erfindungsgemäß ist ein ringförmiges Schwingungsglied 9 vorgesehen, dessen innere kontinuierliche Ringfläche 9a beabstandet die Drahtelektrode 1 in einem Bereich stromauf oder vor und neben dem Werkstück W umgibt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Schwingungsglied

9 aus einem schwingungsfähigen Metall oder einer schwingungsfähigen Legierung und weist eine eingeengte Endspitze eines üblichen ültraschallhornes bzw. eines üblichen Ultraschalltrichters 10 in Berührung hiermit auf. Das Horn

10 ist seinerseits mit einem elektromechanischen Wandler 11, beispielsweise Quarz, gekoppelt, der durch eine Hochfrequenz-Spannungs- bzw. Stromversorgung 12 erregt wird, um darin eine mechanische Schwingung zu induzieren. Das Schwingungssignal wird in üblicher Weise durch das Horn verstärkt und von dort auf das erfindungsgemäße Schwingungsglied 9 übertragen. Die kontinuierliche ringförmige Oberfläche 9a des Schwingungsgliedes 9 ist vorzugsweise gleich von der Mantelfläche der Drahtelektrode 1 beabstandet. Das Ergebnis besteht darin, daß die Drahtelektrode 1 einer isotropen Strahlung von Ultraschallwellen ausgesetzt ist, die vom Schwingungsglied 9 abgegeben werden; die Ultraschallwellen

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werden auf die Achse der Drahtelektrode 1 fokussiert und wirken isotrop auf die Oberfläche der Drahtelektrode 1 in irgendeiner und/oder in jeder Ebene senkrecht zu deren Achse ein. Daraus folgt ein gleichmäßiges Abstreifen und Entfernen von Verunreinigungen und anhaftenden Gasen von der Oberfläche der Drahtelektrode, und das durch die Düse 6 zugeführte flüssige Bearbeitungsmedium kann frei von Gaszumischungen in die Bearbeitungszone zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück W mit gesteigertem Feuchteeigenschaften zugeführt werden. Weiterhin pflanzen sich Reflexionen und Ablenkungen eines Teiles der Ultraschallwellen durch das flüssige Bearbeitungsmedium fort und wirken auf die Bearbeitungszone ein, damit ein größerer Anteil des Mediums im schmalen Bearbeitungsspalt aufgefüllt wird, wodurch das Abführen von Bearbeitungsspänen, Gasen und Abfällen, die dort vorhanden sind, erleichtert wird. Da die Ultraschallwellen isotrop auf die Drahtelektrode einwirken, tritt praktisch kein Bereich einer Stagnation des flüssigen Bearbeitungsmediums auf, das durch die Drahtelektrode über deren gesamten'kreisförmigen Rand oder zylindrische Mantelfläche geführt wird. Der gesamte Bereich des Bearbeitungsspaltes kann so gleichmäßig mit dem flüssigen Bearbeitungsmedium in einem größeren Ausmaß versorgt werden, wodurch die Spaltreinigung gefördert wird. Dies erzeugt einerseits eine erhöhte Kühlwirkung für die Drahtelektrode und das Werkstück und verhindert andererseits wirksam diese vor einem Kurzschluß oder Lichtbogen. Infolge der gesteigerten Kühlwirkung und der Behinderung eines Spaltkurzschlusses und Lichtbogens bricht der Draht weniger leicht, und es liegt eine größere Bearbeitungsstabilität vor, was eine gesteigerte Abtragungsrate oder -geschwindigkeit erlaubt. Es hat sich gezeigt, daß gegenüber dem Stand der Technik die Abtragungs-(Bearbeitungs-) Rate oder -Geschwindigkeit zwischen 30 und 100 % erhöht ist.

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Die Fig. 2(A), 2(B) und 2(C) zeigen typische Ausführungsbeispiele der kontinuierlichen Ringfläche 9a des Schwingungsgliedes 9, das die Ultraschallwellen isotrop gegen die Drahtelektrode 1 aussendet. Die Oberfläche 9a von Fig. 2(A) läuft konisch spitz zu, um gegen den Bereich des Werkstückes zu divergieren. Die Oberfläche 9a von Fig. 2(B) ist parabolisch geformt. Die Oberfläche 9a von Fig. 2(C) besteht aus einem oberen Teil, der konisch spitz zuläuft, um nach oben zu konvergieren, und aus einem unteren Teil, der konisch spitz zuläuft, um nach unten zu konvergieren.

Fig. 3 zeigt ein Elektroerosions-Bearbeitungssystem (EDM, ECM oder ECDM) oder ein Elektroabscheidungssystem, wobei eine geformte Elektrode 101 beabstandet neben einem Werkstück W in einem flüssigen Bearbeitungsmedium 13 liegt und erfindungsgemäß durch die innere kontinuierliche Ringfläche 109a eines wellenemittierenden Schwingungsgliedes 109 umgeben ist, das über das Horn 10 durch den oben gezeigten elektromechanischen Wandler 11 in Ultraschallschwingungen versetzt wird. Die Oberfläche 109a ist mit einem Profil geformt, das in Fig. 2(A) gezeigt ist, um die Ultraschallwellen gegen die Elektrode 101 und wirksam gegen den gesamten Bereich des Bearbeitungsspaltes G zu richten. Mit einer Elektrode einer größeren und komplizierten Bearbeitungsfläche, wie diese gezeigt ist, ist es bisher schwierig, Bearbeitungsspäne, Gase und Abfälle befriedigend zu entfernen; dies wird jedoch durch die Erfindung möglich, indem die gesamte Elektrodenbearbeitungsfläche und der Spaltbereich einer isotropen Strahlung der Ultraschallwellen unterworfen und so ein fortschreitendes Bearbeiten mit gesteigerter Bearbeitungsstabilität gleichmäßig über dem gesamten Bereich erlaubt, wird, damit die Abtragungs- oder Abscheidungsrate gesteigert wird. Es hat sich gezeigt, daß eine Zunahme

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bis 30 % in der Abtragungs- oder Abseheidungsrate gegenüber dem Stand der Technik sofort erzielbar ist.

In einem Kleinloch-Elektroerosions-Bearbeitungs- oder Elektroabscheidungssystem., das in Fig. 4 gezeigt ist, wird eine rohrförmige Elektrode 201 über ihre Innenbohrung mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium versorgt, das von einer Vorratsleitung 14 zugeführt wird, und beabstandet neben einem Werkstück W vorgesehen, um elektroerosiv einen kleinen und tiefen Hohlraum 15 darin zu bilden oder um elektrolytisch eine gleichmäßige Beschichtung auf dem kleinen und tiefen Hohlraum 15 abzuscheiden, der im Werkstück W ausgeführt ist. Auch in diesem System liegt ein wellenemittierendes Schwingungsglied 209, das über das Horn 10 durch den elektromechanischen Wandler 11 in Ultraschallschwingungen versetzt ist, neben der öffnung des Hohlraumes 15, um seine innere kontinuierliche ringförmige Oberfläche 209a so zu positionieren, daß die rohrförmige Elektrode 201 im gleichmäßigen Abstand umgeben wird, damit eine isotrope Strahlung der Ultraschallwellen auf die Elektrode 201 einwirkt. Es hat sich gezeigt, daß auf diese Weise eine Steigerung bis zu 200 % in der Abtragungs- oder Abscheidungsrate gegenüber dem Stand der Technik sofort erzielbar ist.

In einem Elektroabscheidungs- oder Galvanisier- (beispielsweise Beschichtungs- oder Formierungs-) oder einem elektrolytischen (Entladungs-)Heizsystem, das in Fig. 5 gezeigt ist, liegt eine Stab- oder Nadelelektrode 301 beabstandet neben einem komplizierten Profil 16 eines Werkstückes W, das in einen flüssigen Elektrolyten 17 eintaucht, während die Elektrode 301 und das Werkstück W durch eine Strom- bzw. Spannungsversorgung 18 erregt werden, um elektrolytisch eine Metallschicht aus dem Elektrolyten auf einem Teil des Profiles 16 abzuscheiden oder um lokal einen

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Teil des Profiles 16 durch die Einwirkung, elektrolytischer Entladungen zu erwärmen. Die Elektrode 301 oder das Werkstück W wird verschoben, damit der bearbeitende Spitzenteil der Elektrode 301 den gesamten Bereich des Profiles 16 des Werkstückes W überstreicht, so daß eine gleichmäßig abgeschiedene oder erwärmte Schicht sich über dem gesamten Bereich des Profiles 16 bildet. Auch in diesem System liegt ein wellenemittierendes Schwingungsglied 309, das über das Horn 10 durch den elektromechanischen Wandler 11 in Ultraschallschwingungen versetzt ist, neben dem Werkstück W, um seine innere kontinuierliche Ringfläche 309a so zu justieren, daß die Stab- oder Nadelelektrode 301 in gleichem Abstand umgeben wird, damit eine isotrope Strahlung der Ultraschallwellen auf die Elektrode 301 und die Bearbeitungszone einwirkt. Dies verursacht eine hohe gleichmäßige Anregung bzw. ein starkes gleichmäßiges Umrühren des Elektrolyten in dem Bereich des bearbeitenden Spitzenteiles der Elektrode 301, damit eine abgeschiedene oder gehärtete Schicht mit erhöhter Gleichmäßigkeit und Abscheidungs- oder Härtungsrate bzw. -geschwindigkeit aufgebaut wird.

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Claims

Ansprüche

Verfahren zum elektrischen Bearbeiten eines leitenden Werkstückes, bei dem die Bearbeitungsfläche einer Elektrode beabstandet neben dem Werkstück vorgesehen und mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium gespeist ist, um einen flüssigkeitsgefüllten Bearbeitungsspalt dazwischen zu bilden, und bei dem ein elektrischer Bearbeitungsstrom zwischen der Elektrode und dem Werkstück fließt, um letzteres über dem Spalt elektrisch zu bearbeiten,

gekennzeichnet

durch

- Positionieren einer kontinuierlichen, ringförmigen, schwingungsfähigen, wellenemittierenden Oberfläche (9a), um beabstandet die Elektrode (1) zu umgeben, und

- Erzeugen von Ultraschallwellen mit der Oberfläche

(9a) durch deren mechanische Schwingungsanregung, damit die Ultraschallwellen auf wenigstens einen Teil der bearbeitenden Elektrodenoberfläche im wesentlichen isotrop von der kontinuierlichen, ringförmigen, wellenemittierenden Oberfläche (9a) einwirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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- daß die ringförmige Oberfläche gleich von dem Teil in einer Ebene senkrecht zur Achse der Elektrode (1) beabstandet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die ringförmige Oberfläche (9a) mit einem Profil gestaltet ist, das die Ultraschallwellen zum Bereich des Teiles fokussiert.
4. Vorrichtung zum elektrischen Bearbeiten eines leitenden Werkstückes mit einer Bearbeitungselektrode, mit

- einer Trägereinrichtung zum Lagern der Elektrode, so daß deren Bearbeitungsfläche in eine beabstandete Lage neben das Werkstück gebracht ist, um dazwischen einen Bearbeitungsspalt zu bilden,

- eine Zufuhreinrichtung zum Einspeisen eines flüssigen Bearbeitungsmediums auf die bearbeitende Elektrodenfläche und zum Bearbeitungsspalt, und

- eine Einrichtung zum Leiten eines elektrischen Bearbeitungsströmes zwischen der Elektrode und dem Werkstück, um elektrisch das Werkstück über dem flüssigkeitsgefüllten Bearbeitungsspalt zu bearbeiten,

gekennzeichnet durch

- ein ringförmiges Glied (9) mit einer kontinuierlichen ringförmigen wellenemittierenden Oberfläche (9a), das so gestaltet ist, daß die ringförmige Oberfläche (9a) beabstandet die Elektrode (T) umgibt, und

- eine weitere Einrichtung zum Erzeugen von Ultraschallwellen mit dem Glied (9) durch Erzeugen einer mechanischen Schwingung einer Ultraschallfrequenz darin, damit die Ultraschallwellen auf wenigstens einen Teil der bearbeitenden Elektrodenfläche im wesentlichen isotrop von der kontinuierlichen ringförmigen wellenemittierenden

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Oberfläche einwirken.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die ringförmige Oberfläche gleich von dem Teil in einer Ebene senkrecht zur Achse der Elektrode (1) beabstandet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die ringförmige Oberfläche mit einem Profil versehen ist, das so gestaltet ist, daß die Ultraschallwellen auf den Bereich des Teiles fokussiert werden.

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