Einrichtung zur Funkenerosion eines Werkstückes
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Funkenerosion eines Werkstückes mittels impulsförmiger elektrischer Entladungen über einen von einer Werkzeugelektrode und dem Werkstück gebildeten ionisierbaren Arbeitsspalt.
Bei elektrischen Entladungs- oder Funkenbearbeitungsverfahren, die allgemein als EDM-Verfahren (electrical discharge machining) bezeichnet werden, sind eine Werkzeugelektrode und ein zu bearbeitendes Werkstück durch den Arbeitsspalt voneinander getrennt. Die Werkzeugelektrode und das Werkstück sind in einem elektrischen Kreis angeordnet, der eine Quelle elektrischer Energie enthält, wodurch im Arbeitsspalt eine elektrische Entladung oder ein Lichtbogen erzeugt wird, um Metall in einer vorgegebenen Form von dem Werkstück zu entfernen. Der Arbeitsspalt zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück wird im allgemeinen von einem elektrisch isolierenden Medium, z. B. einem dielektrischen Strömungsmittel ausgefüllt, und der in dem Bearbeitungsverfahren benutzte elektrische Lichtbogen geht durch dieses Medium hindurch.
Bei Durchführung der Erosion an einem Werkstück durch einen elektrischen Lichtbogen muss der Spalt zunächst ionisiert werden, um einen elektrisch leitenden Weg durch den Arbeitsspalt hindurch zu bilden, was allgemein als Spaltionisierung bekannt ist, und im Anschluss daran wird zur eigentlichen Bearbeitung des Werkstücks die Energie zur Materialentfernung durch den Spalt hindurchgeleitet.
Bei Durchführung von Bearbeitungsverfahren unter Ausnutzung der elektrischen Entladung hat sich herausgestellt, dass die wirksamste Ausnutzung der an den Spalt herangeführten elektrischen Energie dann auftritt, wenn der Spalt anfänglich zur Ionisierung mit einer Hochspannungsquelle kleiner Stromstärke und niedriger Leistung verbunden wird und danach mit einer Stromquelle niedriger Spannung, aber grosser Stromstärke und hoher Leistung, um die Energie zu Materialentfernung zu liefern. Auf diese Weise kann der Spalt am wirksamsten mit elektrischer Energie versorgt werden, da die Impedanz des Spaltes genau an den Innenwiderstand der Stromquelle anpassbar ist.
Demzufolge ist es wünschenswert, den Spalt zunächst mittels einer Hochspannungsquelle zu ionisieren, welche die oben beschriebenen elektrischen Charakteristika für eine Ionisierung aufweist, und dann die normale Arbeitsenergie dem Spalt zuzuführen.
Erfindungsgemäss ist eifne Einrichtiung d(er eingangs beschriebenen Art vorgesehen, die gekennzeichnet ist durch erste Schaltmittel zum Verbinden einer Hochspannungsquelle mit den den Arbeitsspalt bildenden Elektroden, zweite Schaltmittel zum Verbinden einer Stromquelle mit den den Arbeitsspalt bildenden Elektroden, eine parallel zum Arbeitsspalt mit den Elektroden elektrisch verbundene Detektoreinrichtung zur Bildung eines ersten Ausgangssignals bei Ionisierung des Arbeitsspaltes, und durch einen mit dem zweiten Schaltmittel verbundenen Impulsgenerator, der bei Vorliegen des ersten Ausgangssignales der Detektoreinrichtung das zweite Schaltmittel zur Verbindung der Stromquelle mit den den Arbeitsspalt bildenden Elektroden betätigt.
Diese Erfindung ist relativ einfach und wirtschaftlich und kann bei den verschiedensten neuen und bereits vorhandenen EDM-Maschinen verwendet werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Betriebes der Schalter und des Spaltes der Fig. 1, wobei die Spannung gegenüber der Zeit aufgetragen ist, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Stromtrennkreis für die Einrichtung nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine durch elektrische Entladung wirksame Bearbeitungsanlage mit einem Arbeitsspalt 17, der durch den Abstand zwischen einem Werkstück 16 und einer Werkzeugelektrode 18 gebildet ist. Wie bereits oben erwähnt, hat man festgestellt, dass die Verwendung eines einzigen Netzteiles sowohl für die Spalt überbrückung, d. h. die Spallionisierung, als auch zur Bereitstellung der Energie zur Durchführung der Erosion des Materials an dem Werkstück zu einem nicht leistungsfähigen Betrieb des Netzteiles führt. Dieser Mangel entsteht aufgrund der Tatsache, dass zur Durchführung beider Funktionen eine verhältnismässig grosse Stromquelle mit hoher Spannung erforderlich ist, bei der während eines Teiles des Arbeitstaktes das Netzteil nicht wirksam ausgenutzt wird.
Demzufolge ist der Arbeitsspalt 17 so eingerichtet, dass er wahlweise an zwei elektrische Stromquellen 20 und 22 angeschlossen werden kann. Dabei ist die Hochspannungsquelle 20 eine Gleichstromquelle hoher Spannung und kleiner Leistung, um das für die Ionisierung oder den Durchbruch des Arbeitsspaltes 17 benötigte Potential bereitzustellen, und die Stromquelle 22 eine Gleichstromquelle mit niedriger Spannung und grosser Leistung, um die Energie bereitzustellen, die zur Durchführung der Erosion des Materials an dem Werkstück 16 erforderlich ist.
Um sicherzustellen, dass der Arbeitsspalt ionisiert wird, hat die Ionisierungsquelle 20 eine Ausgangsspannung in der Grössenordnung von 120 bis 150 Volt.
Anderseits wird, nachdem der Arbeitsspalt einmal ionisiert worden ist, erheblich weniger Spannung benötigt, um sicherzustellen, dass er ionisiert bleibt. Tatsächlich werden bei der üblichen Betriebssituation nur etwa 18 bis 32 Volt für diesen Zweck benötigt. Daher braucht die Stromquelle für die Materialerosionsenergie zweck mässiger,veise nur eine Ausgangsspannung von etwa 40 bis 50 Volt zu haben, was weit unterhalb des für die anfängliche Ionisierung des Spaltes benötigten Potentials, jedoch noch mit Sicherheit über dem Potential liegt, welches zur Aufrechterhaltung des Ionisierungszustandes des Spaltes während der Zufuhr von Mnterialerosionsenergie zu dem Werkstück benötigt wird.
Das Werkstück 16 und die Werkzeugelektrode 18 sind in üblicher Weise an dem Maschinenaufbau der Elektro-Erosionsmaschine gelagert und sind vorzugsweise in ein dielektrisches Kühlmittel eingetaucht. Das dielektrische Kühlmittel trägt die von dem Werkstück 16 entfernten Metallpartikel fort und hält auch die Oberfläche sowohl des Werkstückes 16 als auch der Werkzeugelektrode 18 unterhalb der Schmelztemperatur.
Im normalen Zustand wird die Lage der Elektrode 18 relativ zu dem Werkstück 16 mittels einer Servoeinrichtung (nicht gezeigt) automatisch derart gesteuert, dass der Spalt 17 während der normalen Schneidtätigkeit ziemlich konstant bleibt. Zu diesem Zweck kann irgendeine bekannte Kraftvorschub-Servoeinrichtung benutzt werden, und es kann zur Steuerung des Betriebes der Kraftvorschub-Servoanlage jeder beliebige Zustand des Arbeitsspaltes 17, wie z. B. die Durchschnittsleistung, die Durchschnittsspannung, Spitzenspannung usw., festgestellt werden.
Um wahlweise die Stromquellen 20 und 22 an den Arbeitsspalt 17 anzukoppeln, sind Schalter 102 und 116 vorgesehen, die durch Leiter 104, 106 bzw. 120, 122 in Reihenschaltung zwischen den Stromquellen 20 und 22 und dem Arbeitsspalt geschaltet sind. Diese Schalter werden nacheinander betätigt, was später ausführlicher beschrieben wird. Der Schalter 116 wird erst geschlossen, nachdem der Spalt durch die Hochspannung, die durch den Schalter 102 auf ihn übertragen wurde, ionisiert worden ist. Nachdem der Spalt einmal ionisiert wurde, wird der Schalter 102 geöffnet und durch den Schalter 166 die Materialerosionsenergie dem Werkstück 16 zugeführt. Es ist ersichtlich, dass die Schalter 102 und 116 beliebig ausgebildet sein können.
Sie können z. B Transistoren oder Vakuumröhren sein.
Da das Schliessen dieses Schalters 116 so lange verzögert wird, bis der Spalt ionisiert worden ist, trennt die hohe Impedanz seines offenen Stromkreises die Gleichstromquelle mit niedriger Spannung und hoher Leistung von dem Spaltkreis, während der Arbeitsspalt 17 ionisiert wird. Dieser Trennvorgang bewirkt aufgrund seiner Beschaffenheit eine hohe Impedanzlast für den anfänglichen Ionisierungsimpuls, der von der Stromquelle 20 mit hoher Spannung und kleiner Leistung geliefert wird, und begünstigt daher die Durchschaltcharakteristika des Spaltes.
Es sei darauf hingewiesen, dass die hohe Impedanz der Hochspannungsquelle 20 so gewählt werden kann, dass sie der ImDe- danz des entionisierten Spaltes 17 eng angeglichen ist, wodurch eine wirksame Leistungsübertragung von der Hochspannungsquelle 20 auf den Spalt 17 sichergestellt ist. Nachdem der Spalt einmal ionisiert wurde, wird der Schalter 102 geöffnet und der Schalter 116 geschlossen. Der ionisierte Spalt stellt für die Stromquelle 22 eine niedrige Impedanz dar. Demzufolge wird eine wirksame Energieübertragung von der Stromquelle 22 mit niedriger Spannung, jedoch hoher Leistung bewirkt, und zwar durch Anpassung ihrer Impedanz an die an dem ionisierten Spalt vorhandene niedrige Impedanz.
Im Gegensatz zu anderen Möglichkeiten der EDM Energiezufuhr, bei denen voneinander unabhängige Stromquellen für die Spaitionisierungsspannung und die Materialerosionsenergie verwendet werden, werden die Schalter 102 und 116 in strikter Abhängigkeit von dem Ionisierungszustand des Spaltes betätigt, so dass kein vorgegebener Zeitplan vorhanden ist, dem zu folgen wäre. Infolgedessen werden die Impulsfolgefrequen zen der Spaltionisierungsimpulse und der Materialerosionsenergieimpulse automatisch optimalisiert.
Mittels zweier Leiter 92, 94 wird eine Detektoreinrichtung 90 an den Spalt gelegt, um die Ionisierungsoder Entionisierungszustände des Spaltes festzustellen; diese Einrichtung 90 erzeugt charakteristische Ausgangssignale gemäss diesen Zuständen. Der Ionisierungszustand des Spaltes wird durch die dort vorhandene Spannung angezeigt. Genauer gesagt, wird ein entionisierter Spalt durch einen Nullzustand oder umgekehrten Spannungszustand gekennzeichnet, während ein ionisierter Spalt durch eine Spannung gekennzeichnet wird, die deutlich niedriger ist als die vor seiner Ionisierung über dem Spalt liegende Spannung. Demzufolge kann die Detektoreinrichtung die Form einer beliebigen bekannten Detektoranlage annehmen, die auf diese verschiedenen Spaltbedingungen anspricht und in der Lage ist, entsprechende Ausgangssignale zu erzeugen.
In dem Eetriebszustand, bei dem der Spalt entionisiert worden oder in den entionisierten Zustand abgefallen ist, wird in der Detektoreinrichtung 90 ein Signal erzeugt und auf einen Ausgangsleiter 96 übertragen, der an ein Flip-Flop 98 angeschlossen ist. Das Signal an dem Leiter 96 stellt das Flip-Flop 98 so ein, dass auf dem Leiter 100 ein Signal erzeugt wird, das den Schalter 102 schliessen kann.
Der Ausgangsimpuls von einem monostabilen Im,pulsgenerator z. B. einem Multivibrator 112 wird ebenfalls durch einen Leiter 126 auf die Rückstellseite des Flip-Flop 98 übertragen, um das Flip-Flop in Abhängigkeit von dem Ausgangsimpuls zurückzustellen und somit den Schalter 102 etwa zu der Zeit des Schliessens des Schalters 116 zu öffnen. Der Impuls auf dem Leiter 114 hat eine vorgegebene Dauer in Abhängigkeit von dem monostabilen Multivibrator und öffnet daher den Schalter 116 bei Beendigung des Impulses. Der Spalt beginnt dann zu entionisieren, und, wenn dieser Entionisierungsvorgang eine bestimmte Stufe erreicht hat, nämlich den spannungslosen und den Nullspannungszustand, dann erzeugt die Detektoreinrichtung 90 auf dem Leiter 96 ein Ausgangssignal, um das Flip Flop 98 zu setzen und dadurch den Schalter 102 zu schliessen. Auf diese Weise wird der Pulsierungsvorgang wiederholt.
Durch Anwendung dieses Pulsierungsverfahrens für den Spalt 17 wird der Schneidvorgang der Anlage erheblich begünstigt, und zwar aufgrund der Tatsache, dass der Spalt 17 ionisiert und ihm, die Metall entfemungsenergie bei der schnellstmöglichen Folgefrequenz zugeführt wird.
Es ist zu beachten, dass der Spalt 17 nicht zündet und der Schalter 116 die Stromquelle 22 hoher Leistung nicht an den Spalt anschliesst, bevor nicht die Bedingungen innerhalb des Spaltes für die richtige Metallentfernung zuträglich sind.
Das Endergebnis ist eine bessere Oberfläche des Werkstückes, und Oberflächenschäden des Werkstückes werden erheblich vermindert. Ausserdem ist bei der Maschinenbearbeitung mit elektrischer Erosion die beziehung der Einschaltzeit des Impulses für den Spalt zur Ausschaltzeit, was allgemein als Arbeitstakt bezeichnet wird, sehr wichtig. Die verschiedenen möglichen Materialien, des Werkstückes 16 verlangen unterschiedliche Impulsdauern, um die bestmöglichen Ergebnisse zu erreichen. Demzufolge ist eine genaue Regelung der an den Spalt 17 herangeführten Impulse äusserst wünschenswert.
Fig. 2 zeigt ein Zeitschema für den Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Stromkreises und erläutert den zeitlich abgestimmten Betrieb der Schalter 102 und 116 in Verbindung mit der Spaltspannung. Bei Erzeugung eines Impulses durch die Detektoreinrichtung zur Einstellung des Flip-Flop 98 wird von dem Flip-Flop 98 zur Zeit +1 ein Impuls an den Schalter 102 übertragen, der bis zu der Zeit +2 dauert. Während dieser Zeit bricht die Spaltspannung zusammen, sobald der Spalt den Ionisierungsvorgang beendet hat, und die Detektoreinrichtung 98 bringt, nachdem eine ausreichende Ionisierung stattgefunden hat, den monostabilen Multivibrator 112 zum Pulsieren, um einen Ein -Impuls für den Schalter 116 zur Zeit +2 zu erzeugen.
Der Ein -Impuls für den Schalter 116 ist von einer vorgegebenen Zeitdauer T, nach deren Ablauf sich der Schalter 116 öffnet, so dass der Spalt zur Zeit +3 seine Entionisierung beginnt.
Zwischen der Zeit +3 und +4 entlädt sich der ionisierte Teil des Spaltes und senkt somit die Spaltspannung auf Null. Nach einer wählbaren kurzen Zeitverzögerung (etwa 1-100 Mikro-Sekunden), um sicherzustellen, dass die unmittelbare Umgebung des Entladungskanals von Verunreinigungen frei ist, und um eine erneute Ionisierung desselben Kanals zu verhindern, erzeugt die Detektoreinrichtung ein Ausgangssignal, das die Entionisierung des Spaltes anzeigt, das Flip-Flop 98 setzt und somit den Schalter 102 zur Zeit +4 schliesst.
Zwischen den Zeiten +4 und +5 benötigt der Spalt jedoch wegen bestimmter variabler Bedingungen innerhalb des Spaltes, wie z. B. langsame Reaktion der Servoeinrichtung, bestimmte Veränderungen der Charakteristika des Spaltes oder dergleichen, eine längere Zeit zur Ionisierung. Demzufolge beginnt der Spalt seine Entionisierung unmittelbar vor dem Zeitpunkt +5, und die Detektoreinrichtung erzeugt zur Zeit +5 ein Ausgangssingal für den Multivibrator 112. Es sei darauf hingewiesen, dass das Zeitdiagramm der Fig. 2 lediglich zur Erläuterung angegeben ist und nur drei mögliche Bedingungen in dem Arbeitsspalt beschreibt.
Der Multivibrator 112 erzeugt einen Ausgangsimpuls zur Erregung des Schalters 116 und schliesst dadurch den Schalter 116 zur Zeit + 5. Die Schliesszeit des Schal ters 116 wird durch den Widerstandswert des Multivibrators festgelegt und ist eine Konstante für jeden gegebenen Widerstandswert. 7.wischen den Zeiten +6 und +7 entsteht eine Verzögerung ähnlich derjenigen, die zwischen den Zeiten +3 und +4 auftritt, um eine Reinigung des Spaltes zu ermöglichen. Dieses kann wiederum auf bestimmte Spaltzustände zurückgeführt werden, die während des Bearbeitungsvorganges schwanken.
Zur Zeit +7 ist der Schalter 102 geschlossen, da das Flip-Flop 98 durch einen von der Detektoreinrichtung 90 erhaltenen Impuls gesetzt ist, und dieser Spaltzustand kennzeichnet das Durchschlagen oder die Ionisierung zur Zeit +8, wodurch der Multivibrator 112 durch die Detektoreinheit 90 zum Pulsieren gebracht oder getriggert wird. Darauf erzeugt der Multivibrator fast augenblicklich einen Impuls, der, wie bereits oben erwähnt, von einer vorgegebenen Zeitdauer ist und den Schalter 116 schliesst. Demgemäss wird der Schalter 116 bei der Zeit +8 geschlossen und bleibt dies bis zur Zeit +9.
Die Einrichtung nach Fig. 1 kann einen Trennkreis zur Unterbrechung der Übertragung der Materialerosionsenergie auf das Werkstück 16 im Falle eines Spaltkurzschlusses oder dergleichen einschliessen. Vorzugsweise spricht der Trennkreis bei jedem Impuls an, um den wirksamsten Spaltkurzschlussschutz zu sichern.
Nach Fig. 3 kann der Einzelimpuls-Spaltkurzschlussschutz für die neue Einrichtung durch Hinzufügen einer UND -Torschaltung 210 und eines Bezugssp annungs- kreises 218 erreicht werden. Wie vorher ist an die Werkzeugelektrode 18 und das Werkstück 16 über mehrere Leiter 170 und 172 sowie einen Schalter 174 eine Hochspannungsquelle 20 angeschlossen. Die Stromquelle 22 hoher Leistung ist in ähnlicher Weise über zweite Leiter 176 und 178 sowie einen zweiten Schalter 180 an den Lastspalt 17 angeschlossen. Die Spannung über dem Spalt 17 wird durch eine Detektoreinrichtung 187 festgestellt, die über zwei Leiter 188 und 190 daran geschlossen ist. Die Detektoreinrichtung ist ähnlich der Detektoreinrichtung nach Fig. 1 d. h.
die Vorrichtung 186 erzeugt ein Ausgangssignal auf einem Leiter 192, welches einen Entionisierungszustand in dem Spalt 16 anzeigt, und es wird auf einem Leiter 194 ein zweiter Impuls erzeugt, der einen Ionisierungszustand des Spaltes 17 anzeigt. Der Ausgangsimpuls auf dem Leiter 192 wird an ein Flip-Flop 198 übertragen und das Flip-Flop in einen ersten Zustand versetzt; auf dem Leiter 200 wird ein Impuls erzeugt, um den Schalter 174 aufgrund des Impulses an dem Leiter 192 zu schliessen.
Bei geschlossenem Schalter 174 überträgt die Hochspannungsquelle 20 eine Spannung auf den Spalt 17, um den Ionisierungsvorgang zu beginnen.
Wenn die Ionisierung einen vorgegebenen Wert erreicht dann wird der Impuls auf dem Leiter 194 auf einen monostabilen Multivibrator 204 übertragen, welcher einen zeitlich abgestimmten Ausgangsimpuls auf dem Leiter 206 erzeugt. Der Ausgangsimpuls auf dem Leiter 206 wird auf die UND -Torschaltung 210 übertragen, welche über einen Leiter 212 den Schalter 180 steuert. Der Ausgangsimpuls von dem Muftivibrator 204 wird ebenso über einen Leiter 214 auf das Flip-Flop 198 übertragen, was eine Rückstellung des Flip-Flop in seinen zweiten stabilen Zustand bewirkt und den Schalter 174 öffnet. Der Schalter 174 bleibt geöffnet, bis in der Detektoreinrichitung 186 ein Impuls erzeugt ist, der einen Entionisierungszustand in dem Spalt 17 anzeigt.
Wenn alle anderen Eingänge zu dem UND -Torkreis auf Ein stehen, dann wird der Schalter 180 geschlossen, und die Stromquelle 22 mit hoher Leistung wird über die Leitungen 176 und 178 mit dem Spalt 17 verbunden.
Der Bezugsspannungskreis 218 wird angeschlossen, um die Spaltspannung 17 festzustellen, und bewirkt, wenn die Spaltspannung unter einen vorgegebenen niedrigen Wert abfällt, die Übertragung eines Aus -Impulses auf die UND -Torschaltung 210 über den Leiter 220. Der Aus -Impuls, der von dem Bezugsspannungskreis 218 bereitgestellt wird, verhindert den Betrieb der UND -Torschaltung 210 und öffnet dadurch den Schalter 180. Nach Beseitung des Kurzschlusszustandes an dem Spalt 17 und nach Anstieg der Spannung über den vorgegebenen Wert hinaus erzeugt der Bezugsspannungskreis 218 einen Ein -Impuls auf dem Leiter 220 und öffnet dadurch die UND -Torschaltung 210.
Aus dem Obigen ergibt sich, dass die vorliegende Erfindung eine neue und verbesserte Energiezufuhr zur Heranführung einer Impulsreihe an einen zwischen einer Elektrode und einem Werkstück gebildeten Spalt ermöglicht, um das Werkstück zu bearbeiten. Dabei werden unabhängige Quellen für das Spaltionisierungspotential und die Materialerosionsenergie benutzt, um die wirksamste Energieübertragung von den Quellen auf den Spalt sicherzustellen. Darüberhinaus ist ersichtlich, dass die unabhängigen Quellen wahlweise in strikter Abhängigkeit von dem Ionisierungszustand des Spaltes an den Spalt gelegt werden, wodurch die Impulsfolgefrequenz der zugeführten Impulse automatisch optimalisiert wird.
Schliesslich ist ersichtlich, dass die Energieversorgung einen mit ihr verbundenen Trennkreis aufweisen kann, um damit einen Spaltkurzschlussschutz zu schaffen, und dass der Trennkreis für jeden einzelnen Impuls wirksam sein kann.