Verfahren zur Metallbearbeitung unter Elektroentladung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallbearbeitung unter Elektroentladung, durch wel ches der Wirkungsgrad der Bearbeitung verbessert wird.
Wie in der Bearbeitungstechnik bekannt, wird die Elektroentladungsbearbeitung durchgeführt, indem man eine hohe Spannung in der Grössenordnung von 50 bis 600 Volt zwischen einer Elektrode und einem dicht bei dieser angeordneten Werkstück, wobei sich eine prak tisch nichtleitende Bearbeitungsflüssigkeit in der Lücke zwischen beiden befindet, so anlegt, dass in kurzen Ab ständen elektrische Entladungen von der Elektrode auf das Werkstück erfolgen, so dass aus vorbestimmten Ge bieten des Werkstückes Metall entfernt wird. Die Be arbeitungsflüssigkeit erfüllt in diesem Verfahren eine Anzahl verschiedener Funktionen.
Einmal wird die Flüs sigkeit gewöhnlich ununterbrochen durch die Lücke zwi schen der Elektrode und dem Werkstück fliessen gelas sen, um physikalisch aus dem bearbeiteten Gebiet von dem Werkstück und der Elektrode losgelöste Metallteil chen mitzureissen und zu entfernen. Zum anderen dient die fliessende Bearbeitungsflüssigkeit auch dazu, die zu bearbeitenden Oberflächen zu kühlen. Gewöhnlich wird die Bearbeitungsflüssigkeit filtriert und an das zu bear beitende Gebiet zurückgeführt. Die bisher verwendeten Bearbeitungsflüssigkeiten enthalten Kohlenwasserstofföle, Silikonöle und verwandte Stoffe.
Neben dieser Funktion des Kühlens und Mitreissens nimmt die Bearbeitungsflüssigkeit auch aktiv an der Me tallentfernung teil. Aus diesem Grunde muss die Flüssig keit genügend nichtleitend sein, damit die gewünschte Spannung über der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück aufgebaut werden kann, und dann auch genügend leitfähig bei erhöhten Spannungen sein, damit elektrische Entladungen bei jeder dieser Spannungen auftreten.
Ein Faktor, der die Entwicklung der Elektroentla dungsbearbeitung verzögert hat, ist die verhältnismässig hohe Geschwindigkeit, mit der Elektroden in diesem Verfahren verbraucht werden. In einigen Fällen war die von der Elektrode entfernte Metallmenge fast so gross wie die vom Werkstück entfernte Menge. Im allgemeinen war der Wirkungsgrad des Elektrobearbeitungsverfah rens, der durch das Verhältnis vom Werkstück entfern tem Metall zu dem von der Elektrode entfernten Metall gemessen wird, verhältnismässig niedrig. Dieses Ver hältnis wird in der vorliegenden Beschreibung als Wir kungsgrad der Metallentfernung bezeichnet.
Das Ziel vorliegender Erfindung ist die Verbesserung von Bearbeitungsflüssigkeiten, die bei Verwendung in bekannten Verfahren zur Metallbearbeitung unter Elek troentladung eine wirksamere Metallentfernung erlauben.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Feststel lung, dass bei einem Verfahren zur Metallbearbeitung unter Elektroentladung der im Hauptpatent Nr. 444 990 beschriebenen Art anstelle der in diesem Patent erwähn ten Bearbeitungsflüssigkeiten auch solche verwendet wer den können, die aus einer wässrigen Lösung bestehen, welche ein Polyglykol der Formel HO(CH2CH2O)nH enthält, worin n eine positive ganze Zahl grösser als 25, vorzugsweise 26 bis 35, ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass die Bearbeitungsflüssigkeit 35-90 Vol.-% an Äthylenglykolen der Formel HO(C2H4O)nH enthält, worin n für einen Teil dieser Glykole grösser als 25 ist, sowie 5-35 Vol.-% Wasser und 2,5-35 Vol.-% ent weder (a) einer organischen Monohydroxyverbindung der Formel ROH, worin R einen Kohlenwasserstoffrest mit 4-12 C-Atomen darstellt, oder (b) eines Monoäthers eines Äthylenglycols der Formel R'O(C2H4O)nH, worin n für eine Zahl von 1-10 und R' für einen Alkyl-, Aryl- oder Aralkylrest mit 1-20 C-Atomen steht, mit der Massgabe, dass die Flüssigkeit mindestens 65 Vol.-0/o an Äthylenglykolen enthält,
falls keine organische Mono- hydroxyverbindung der genannten Formel vorliegt.
Zu den in den Bereich obiger Formel HO(CH2CH2O)nH fallenden höheren Glykolen gehören feste Glykole wie diejenigen, die unter dem Handelsnamen CARBO- WAX erhältlich sind, z.B. Polyäthylenglykole mit Mo lekulargewichten über 200.
Die CARBOWAX -Poly- äthylenglykole sind zur Zeit mit Molekulargewichten bis zu 6000 bis 7500 erhältlich, was n-Werten von ca. 135 bis 170 entspricht; obgleich man beliebige derartige Poly- glykole verwenden kann, erwies es sich doch, dass die höhermolekularen Materialien vorteilhafterweise als ge ringerer Anteil mit grösseren Mengen niedrig-molekula rer Materialien gemischt werden, um Lösungen zu hoher Viskosität zu vermeiden. Bei zu hoher Viskosität der Lö sung aufgrund der Anwesenheit hochmolekularer Stoffe kann eine geeignete Viskosität oft auch durch Erhitzen der Lösung auf erhöhte Temperaturen erreicht werden.
Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt bei Mit verwendung von Polyglykolen vom Molekulargewicht 150 bis 300, z.B. bei Verwendung von Gemischen von Polyglykolen mit Molekulargewichten 150 bis 300 mit Polyglykolen vom Molekulargewicht 1000 bis 1500. Im allgemeinen wurde festgestellt, dass die Polyglykolkom- ponente oder -komponenten so beschaffen sein sollten, dass das Molekulargewicht n-Werten in obiger Formel von nicht mehr als etwa 35 entspricht.
Die wässrige Lösung sollte zweckmässig 50 bis 90 Vol.-% des Glykols, vorzugsweise 65 bis 90 Vol.-% ent halten. Wenn keine organische Monohydroxy-Verbin- dung ROH vorliegt, liegt der Glykolgehalt bei 65 bis 90%.
Es wurde festgestellt, dass die Werkzeugabnutzung bei einem solchen Elektroentladungsbearbeitungsverfah- ren verringert und in den meisten Fällen sogar wesent lich verringert werden kann, bei nur verhältnismässig kleiner Verringerung der Metallentfernungsgeschwindig- keit, weil die wässrige, glykolhaltige Bearbeitungsflüssig keit eine dritte Komponente enthält, die entweder eine organische Monohydroxyverbindung Formel ROH ist, in der R einen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 12-C-Ato- men darstellt, oder ein Monoäther eines Glykols der all gemeinen Formel R'O(CH2CH2O)nH in der n den Wert 1 bis 10 hat und R' ein Alkyl-,
Aryl- oder Aralkylrest mit 1 bis zu 20 C-Atomen ist. Die An wendung eines solchen ternären Gemisches ist besonders in den Fällen wichtig, in denen das Werkzeug aus einem verhältnismässig weichen Metall, wie Messing oder einer Zink-Zinn-Legierung besteht, die beide oftmals in sol chen Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden. Die Mo- nohydroxyverbindung der Formel ROH kann ein gesät tigter oder ungesättigter aliphatischer Alkohol mit der erforderlichen Anzahl C-Atome oder eine aromatische Verbindung, wie Phenol, Phenyläthanol oder ein Kresol sein.
In der vorliegenden Flüssigkeit beispielsweise ver wendbare Glykolmonoäther sind Äthylenglykolmono- äthyläther, Äthylenglykolmonomethyläther, Äthylengly- kolmonohexyläther, der Octylphenyläther des Octaäthy- lenglykols, der Nonylphenyläther des Octaäthylenglykols und Äthylenglykolmonophenyläther. Die ternären Gemi- sche enthalten vorzugsweise 35 bis 70 Vol.-% an Poly- äthylenglykolen, 2,5 bis 35 Vol.-% Glykolmonoäther und 5 bis 35 Vol.-% Wasser.
Die erfindungsgemäss verwendeten Bearbeitungsflüs sigkeiten können neben den oben genannten Hauptbe standteilen verschiedene spezielle Bestandteile für be stimmte Zwecke in kleinen Mengen enthalten, z.B. einen der üblichen Rostinhibitoren, z.B. ein Alkanolamin, ein Fettsäureamid oder eine Seife, in einer Menge von z.B. 0,5 bis 2,5 Vol.-%. Auch ein oberflächenaktives Mittel kann in Mengen bis zu wenigen Prozent zugefügt wer den, das dazu beiträgt, die Teilchen entfernten Metalls in Suspension zu halten, bis sie aus dem Gebiet des Werkzeugs und des Werkstückes entfernt worden sind.
Um die Erfindung noch eingehender zu erläutern, werden im folgenden besondere Beispiele für Bearbei tungsflüssigkeiten gegeben und Angaben über ihre Wirk samkeit gemacht. Die Flüssigkeiten wurden in einer Vor richtung der im Hauptpatent beschriebenen Art erprobt.
Die Vorrichtung wird durch beiliegende Figuren 1 und 2 wiedergegeben.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Elektroentla- dungsbearbeitungsvorrichtung.
Fig. 2 zeigt schematisch einen elektrischen Strom kreis, der zur Zuführung von elektrischer Energie für die Bearbeitungsvorrichtung benützt wird.
In Fig. 1 besteht die dort gezeigte Vorrichtung aus einem Ständer 10 mit einem senkrechten Halter 11, an dem ein Bearbeitungstank 12 befestigt ist. Das Werk stück W ist in geeigneter Weise in Bodennähe des Tanks so angebracht, dass es unter einem Werkzeug bzw. der Elektrode 13 liegt. Die Elektrode ist am unteren Ende eines Zuführstabes 14 befestigt, der senkrecht in einer aus nicht leitfähigem Material hergestellten Buchse 15 gleiten kann. Das obere Ende des Stabes 14 ist mit Ge winde versehen und kann eine Mutter 16 aufnehmen, die ein aus einem nicht leitfähigen Material hergestelltes Zahnrad 17 trägt. Das Zahnrad 17 wird von einem Stirn rad 18 angetrieben, das auf einer Welle 19 montiert ist, die von einem Servomotor M in Umdrehung versetzt wird.
Die ganze Anlage ist so gebaut, dass der Servomo tor M die vertikale Stellung der Elektrode 13 in der Weise verändert, dass eine vorherbestimmte kleine Lücke (ein bestimmter Abstand) zwischen dem unteren Ende der Elektrode und der bearbeiteten Oberfläche des Werk stückes aufrechterhalten wird.
Der Stab 14 wird, um die Mutter 16 fest gegen den Oberteil der Buchse 15 zu drücken, durch eine Feder 20 nach unten gezogen, die sich normalerweise in Zugspan nung befindet und an ihren Enden mit dem Stift 21 an dem Stab 14 und dem Stift 22 an der Buchse 15 verbun den ist. Ein Motor 23 betreibt eine Pumpe 24, die Be arbeitungsflüssigkeit aus dem Tank 12 abzieht und diese unter Druck in die Bohrung 25 in der Elektrode 13 ab gibt, von wo aus sie durch die zwischen der Elektrode und dem Werkstück befindliche Lücke und in den Tank fliesst.
Die erforderliche elektrische Energie für die Vorrich tung wird von einer veränderlichen Frequenzoszillator- und Verstärkereinheit 30 geliefert, die entweder eine Sinus- oder eine Rechteckwellenleistung an die Primär windung eines Transformators 31 abgibt. Dieser Trans formator kann mit vielfachen Sekundärwindungen ver sehen sein, die in verschiedenen Kombinationen verbun den sein können, so dass eine Impedanzabstimmung zwi schen dem Verstärker und dem Funken erzeugenden Stromkreis stattfinden kann.
Der Wechselstrom von dem Transformator 31 wird über einen Kondensator C und einen Widerstand R zu Leitungen 32 und 33 gegeben, die jeweils mit der Elektrode und dem Werkstück verbun den sind. Ein Siliciumgleichrichter (Diode) D ist im Ne benschluss über die Lücke und den Widerstand R ge schaltet, so dass der Kondensator in der einen Halb periode aufgeladen und die Voltspannung über die Lücke auf die nächste Halbperiode doppelt gegeben werden kann. Dadurch wird eine Funkenentladung über der Lücke verursacht, was eine Entladung des Kondensators zur Folge hat, der in der nächsten Halbperiode wieder aufgeladen wird.
Die durchschnittliche Lückenspannung wird durch einen Servoverstärker 34 eingestellt und mit einer Be zugsspannung verglichen. Eine Differenz in der Span nung wird, wenn vorhanden, verstärkt und durch die Lei tungen 35 zu dem Elektroservomotor M gegeben, so dass dieser in der richtigen Richtung angetrieben wird, um die Lückenspannung wieder auf den gewünschten Wert zu bringen, wie er durch die Bezugsspannung bestimmt wird. Auf diese Weise wird die Elektrode 13 an das Werk stück heran- oder von ihm weggeführt und der Abstand (die Lücke) konstant gehalten.
Aus den in den Beispielen gemachten Angaben geht hervor, dass eine in Form von Rechteckwellen zuge führte Energie mit einer Frequenz von 20 kHz und ein Maximalstrom von 15 A verwendet wurde. Der Konden sator C hatte eine Kapazität von 40 uF und der Wider stand R den Wert O. In den Beispielen bestand das Be arbeitungswerkzeug aus Messing. Die Messingwerkzeuge waren Stangen mit etwa 1,25 cm Durchmesser. In allen Beispielen bestanden die Werkstücke aus AISI 1018- Stahl. Die Mengen der verschiedenen Zusätze in den Bearbeitungsflüssigkeiten sind in Volumenteilen ange geben.
Die angegebenen Flüssigkeiten wurden auch auf einer üblichen Elektroentladungsbearbeitungsvorrichtung ge prüft; dabei wurden Ergebnisse erhalten, die mit den oben mit der beschriebenen Vorrichtung erhaltenen ver gleichbar sind. Die in den Beispielen angegebenen Werte für den Wirkungsgrad der Metallentfernung stellen, wie bereits oben ausgeführt, die volumetrischen Verhältnisse von dem Werkstück entfernten Metall dar. Die Werte für die Bearbeitungsgeschwindigkeit sind in cm3 ent fernten Metalls je A und min., multipliziert mit 104, an gegeben.
Um eine Vergleichsbasis für die mit den vorliegen den Massen erhaltenen Wirkungsgrade und Bearbeitungs geschwindigkeiten gegenüber denen bekannter Massen zu schaffen, wurden mehrere Versuche unter Verwendung zahlreicher üblicher Bearbeitungsflüssigkeiten in der glei chen Vorrichtung und .unter gleichen Bedingungen aus geführt, die zu den in den Beispielen genannten geführt haben. Die Ergebnisse dieser Versuche mit bekannten Bearbeitungsflüssigkeiten sind folgende: A. MESSINGWERKZEUG Wirkungs- Bearbeitungs grad grad geschwindigkeit Kohlenwasserstofföl ( SOHIO Spin 60 ) 2,8 41 Kohlenwasserstofföl ( ELOX Nr. 6 ) 2,7 44,4 n-Hexan 2,0 31,2 Paraffinöl (50 vis) * 2,0 44,4 r 50 vis - Viskosität von 50 Saybott-Universal-Sek. bei 37,8 C; entspricht etwa 7,2 cSt.
B. ZINN-ZINN-LEGIERUNGSWERKZEUG Bearbeitungsflüssigkeit Wirkungs- Bearbeitungs grad geschwindigkeit Paraffinöl (50 vis) * 7,6 56 'Siehe Fussnote unter A.
<I>Beispiel 1</I> Bestandteile Wirkungs- Menge, grad Vol: % CARBOWAX 1500 32,5 CARBOWAX 200 32,5 Äthylenglykol-monoäthyläther 17,0 Oberflächenaktives Mittel ( Renex 20 ) 0,5 Triäthanolamin 0,5 Wasser 17,0 Wirkungsgrad der Metallentfernung 11 Bearbeitungsgeschwindigkeit 7,0 CARBOWAX 1500 ist ein Gemisch aus etwa glei chen Teilen Polyäthylenglykol vom Molekulargewicht 285 bis 315 und vom Molekulargewicht 1300 bis 1600.
<I>Beispiel 2</I> Bestandteile Wirkungs- Menge, grad Vol.-% CARBOWAX 1500 43,0 CARBOWAX 200 22,0 Äthylenglykol-monoäthyläther 17,0 Oberflächenaktives Mittel ( Renex 20 ) 0,5 Triäthanolamin 0,5 Wasser 17,0 Wirkungsgrad der Metallentfernung 7,1 Bearbeitungsgeschwindigkeit 99
EMI0004.0000
<I>Beispiel <SEP> 3</I>
<tb> Bestandteile <SEP> Wirkungs- <SEP> Menge,
<tb> grad <SEP> vol.
CABOWAX <SEP> 6000 <SEP> 8,0
<tb> CARBOWAX <SEP> 4000 <SEP> 8,0
<tb> CARBOWAX <SEP> 200 <SEP> 49,0
<tb> Äthylenglykol-monoäthyläther <SEP> 17,0
<tb> Oberflächenaktives <SEP> Mittel
<tb> ( Renex <SEP> 20 ) <SEP> 0,5
<tb> Triäthanolamin <SEP> 0,5
<tb> Wasser <SEP> 17,0
<tb> Wirkungsgrad <SEP> der
<tb> Metallentfernung <SEP> 4,0
<tb> Bearbeitungsgeschwindigkeit <SEP> 89 Aus den obigen Beispielen geht hervor, dass man mit den Bearbeitungsflüssigkeiten der vorliegenden Er findung überlegene Wirkungsgrade der Metallentfernung und überlegene Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzielen kann. Die hier angeführten Bearbeitungsflüssigkeiten wei sen aber nicht nur hohe Wirkungsgrade der Metallent fernung, sondern auch noch andere Vorteile auf.
So wer den bei Verwendung der erfindungsgemässen Bearbei tungsflüssigkeiten schneller beständige Funkenbögen er zielt als mit Kohlenwasserstoffölen. Ausserdem wird die Funkenfrequenz infolge nur geringer Ausfälle weit voll ständiger ausgenutzt als das früher der Fall war. Die Teilchen entfernten Metalls scheiden sich aus den er- findungsgemässen Flüssigkeiten gut ab und können leich ter herausfiltriert werden. Schliesslich weisen die erfin- dungsgemässen Flüssigkeiten eine grosse Vielzahl von Eigenschaften auf, die sie veränderten Bearbeitungsbe dingungen anpassen.