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.
Device for spark erosion of a workpiece
The invention relates to a device for spark erosion of a workpiece by means of pulsed electrical discharges via an ionizable working gap formed by a tool electrode and the workpiece.
In electrical discharge or spark machining processes, which are generally referred to as EDM processes (electrical discharge machining), a tool electrode and a workpiece to be machined are separated from one another by the working gap. The tool electrode and the workpiece are arranged in an electrical circuit that contains a source of electrical energy, thereby creating an electrical discharge or arc in the working gap to remove metal in a predetermined shape from the workpiece. The working gap between the tool electrode and the workpiece is generally made of an electrically insulating medium, e.g. B. filled with a dielectric fluid, and the electric arc used in the machining process passes through this medium.
When performing the erosion on a workpiece using an electric arc, the gap must first be ionized in order to form an electrically conductive path through the working gap, which is generally known as gap ionization, and then the energy is used for the actual machining of the workpiece Material removal passed through the gap.
When carrying out machining processes using electrical discharge, it has been found that the most effective use of the electrical energy supplied to the gap occurs when the gap is initially connected to a high-voltage source of low amperage and low power for ionization and then to a source of low voltage , but large amperage and high power to deliver the energy for material removal. In this way, the gap can be most effectively supplied with electrical energy, since the impedance of the gap can be precisely matched to the internal resistance of the power source.
Accordingly, it is desirable to first ionize the gap by means of a high voltage source which has the above-described electrical characteristics for ionization, and then to apply normal working energy to the gap.
According to the invention, a device of the type described at the outset is provided, which is characterized by first switching means for connecting a high-voltage source to the electrodes forming the working gap, second switching means for connecting a current source to the electrodes forming the working gap, and one electrical parallel to the working gap with the electrodes connected detector device for forming a first output signal when the working gap is ionized, and by a pulse generator connected to the second switching means, which actuates the second switching means for connecting the power source to the electrodes forming the working gap when the first output signal of the detector device is present.
This invention is relatively simple and economical and can be used with a wide variety of new and existing EDM machines.
Show it:
1 shows a schematic representation of an embodiment of the present invention,
Figure 2 is a graphical representation of the operation of the switches and gap of Figure 1 plotting voltage versus time, and
3 shows a schematic representation of a further embodiment of the invention with a current isolating circuit for the device according to FIG. 1.
1 shows a machining system which is effective by electrical discharge and has a working gap 17 which is formed by the distance between a workpiece 16 and a tool electrode 18. As already mentioned above, it has been found that the use of a single power supply unit for bridging the gap, i.e. H. the spallionization, as well as the provision of the energy to carry out the erosion of the material on the workpiece, leads to an inefficient operation of the power supply unit. This deficiency arises due to the fact that a relatively large power source with high voltage is required to carry out both functions, in which the power supply unit is not effectively used during part of the work cycle.
As a result, the working gap 17 is set up in such a way that it can be optionally connected to two electrical power sources 20 and 22. The high voltage source 20 is a direct current source of high voltage and low power in order to provide the potential required for the ionization or the breakthrough of the working gap 17, and the power source 22 is a direct current source with low voltage and high power in order to provide the energy required to carry out the Erosion of the material on workpiece 16 is required.
To ensure that the working gap is ionized, the ionization source 20 has an output voltage in the order of magnitude of 120 to 150 volts.
On the other hand, once the working gap has been ionized, significantly less voltage is required to ensure that it remains ionized. In fact, only about 18 to 32 volts are required for this purpose in the normal operating situation. Therefore, the power source for the material erosion energy needs more expediently, only to have an output voltage of about 40 to 50 volts, which is far below the potential required for the initial ionization of the gap, but certainly above the potential that is required to maintain the ionization state of the gap is required during the supply of erosion energy to the workpiece.
The workpiece 16 and the tool electrode 18 are mounted in the usual way on the machine structure of the electric discharge machine and are preferably immersed in a dielectric coolant. The dielectric coolant carries away the metal particles removed from workpiece 16 and also maintains the surface of both workpiece 16 and tool electrode 18 below the melting temperature.
In the normal state, the position of the electrode 18 relative to the workpiece 16 is automatically controlled by means of a servo device (not shown) in such a way that the gap 17 remains fairly constant during normal cutting activity. Any known power feed servo device can be used for this purpose, and any state of the working gap 17, such as e.g. B. the average power, the average voltage, peak voltage, etc. can be determined.
In order to selectively couple the current sources 20 and 22 to the working gap 17, switches 102 and 116 are provided which are connected in series between the current sources 20 and 22 and the working gap by conductors 104, 106 and 120, 122, respectively. These switches are operated in sequence, which will be described in more detail later. The switch 116 is not closed until after the gap has been ionized by the high voltage transmitted to it by the switch 102. After the gap has been ionized once, the switch 102 is opened and the material erosion energy is applied to the workpiece 16 through the switch 166. It can be seen that the switches 102 and 116 can be designed as desired.
You can e.g. B transistors or vacuum tubes.
Since the closing of this switch 116 is delayed until the gap has been ionized, the high impedance of its open circuit isolates the low voltage, high power DC power source from the gap circuit while the working gap 17 is ionized. This disconnection process, by its very nature, places a high impedance load on the initial ionization pulse supplied by the high voltage, low power power source 20 and therefore promotes the gating characteristics of the gap.
It should be pointed out that the high impedance of the high voltage source 20 can be selected such that it is closely matched to the impedance of the deionized gap 17, whereby an effective power transmission from the high voltage source 20 to the gap 17 is ensured. Once the gap has been ionized, switch 102 is opened and switch 116 is closed. The ionized gap presents a low impedance to the power source 22. As a result, energy is effectively transferred from the power source 22 at low voltage but high power by matching its impedance to the low impedance present at the ionized gap.
In contrast to other possibilities of EDM energy supply, in which independent power sources are used for the ionization voltage and the material erosion energy, the switches 102 and 116 are actuated in strict dependence on the ionization state of the gap, so that there is no predetermined schedule to follow would. As a result, the pulse sequence frequencies of the gap ionization pulses and the material erosion energy pulses are automatically optimized.
A detector device 90 is applied to the gap by means of two conductors 92, 94 in order to determine the ionization or deionization states of the gap; this device 90 generates characteristic output signals in accordance with these states. The state of ionization of the gap is indicated by the voltage present there. More specifically, a deionized gap is characterized by a zero or reverse voltage state, while an ionized gap is characterized by a voltage that is significantly lower than the voltage across the gap before it was ionized. Accordingly, the detector means may take the form of any known detector system which is responsive to these various gap conditions and capable of producing appropriate output signals.
In the operating state in which the gap has been deionized or has fallen into the deionized state, a signal is generated in the detector device 90 and transmitted to an output conductor 96 which is connected to a flip-flop 98. The signal on conductor 96 sets flip-flop 98 such that a signal is generated on conductor 100 which can close switch 102.
The output pulse from a monostable Im, pulse generator z. B. a multivibrator 112 is also transmitted by a conductor 126 to the reset side of the flip-flop 98 to reset the flip-flop in response to the output pulse and thus to open the switch 102 at about the time the switch 116 closes. The pulse on conductor 114 has a predetermined duration depending on the monostable multivibrator and therefore opens switch 116 upon termination of the pulse. The gap then begins to deionize, and when this deionization process has reached a certain stage, namely the de-energized and zero-voltage states, the detector device 90 generates an output signal on the conductor 96 in order to set the flip-flop 98 and thereby the switch 102 to shut down. In this way the pulsing process is repeated.
By using this pulsation method for the gap 17, the cutting process of the system is considerably favored, due to the fact that the gap 17 is ionized and the metal removal energy is supplied to it at the fastest possible repetition frequency.
It should be noted that the gap 17 will not ignite and the switch 116 will not connect the high power source 22 to the gap until the conditions within the gap are conducive to proper metal removal.
The end result is a better surface finish on the workpiece and surface damage to the workpiece is significantly reduced. In addition, when machining with electrical erosion, the relationship between the switch-on time of the pulse for the gap and the switch-off time, which is generally referred to as the work cycle, is very important. The different possible materials of the workpiece 16 require different pulse durations in order to achieve the best possible results. Accurate regulation of the pulses applied to the gap 17 is therefore extremely desirable.
FIG. 2 shows a timing diagram for the operation of the circuit shown in FIG. 1 and illustrates the timed operation of switches 102 and 116 in conjunction with the gap voltage. When a pulse is generated by the detector device for setting the flip-flop 98, a pulse is transmitted from the flip-flop 98 to the switch 102 at time +1, which pulse lasts up to time +2. During this time, the gap voltage collapses as soon as the gap has ended the ionization process, and the detector device 98 causes the monostable multivibrator 112 to pulsate, after sufficient ionization has taken place, in order to generate an on-pulse for the switch 116 at time +2 produce.
The on pulse for the switch 116 has a predetermined duration T, after which the switch 116 opens, so that the gap begins its deionization at time +3.
Between the time +3 and +4 the ionized part of the gap discharges and thus lowers the gap voltage to zero. After a selectable short time delay (approx. 1-100 microseconds) to ensure that the immediate vicinity of the discharge channel is free of impurities and to prevent re-ionization of the same channel, the detector device generates an output signal that the deionization of the gap indicates that the flip-flop 98 sets and thus the switch 102 closes at time +4.
Between the times +4 and +5, however, the gap needs due to certain variable conditions within the gap, such as e.g. B. slow response of the servo, certain changes in the characteristics of the gap or the like, a longer time for ionization. As a result, the gap begins its deionization immediately before time +5, and the detector device generates an output signal for multivibrator 112 at time +5. It should be pointed out that the timing diagram in FIG. 2 is given for illustration only and only three possible conditions describes in the working gap.
The multivibrator 112 generates an output pulse to excite the switch 116 and thereby closes the switch 116 at time + 5. The closing time of the switch 116 is determined by the resistance value of the multivibrator and is a constant for any given resistance value. 7. Between times +6 and +7 there is a delay similar to that occurring between times +3 and +4 to allow the gap to be cleaned. This can in turn be traced back to certain gap conditions that fluctuate during the machining process.
At time +7 the switch 102 is closed, since the flip-flop 98 is set by a pulse received from the detector device 90, and this gap state indicates the breakdown or ionization at time +8, whereby the multivibrator 112 through the detector unit 90 to Pulsing or triggered. The multivibrator then almost instantaneously generates a pulse which, as already mentioned above, has a predetermined duration and closes switch 116. Accordingly, switch 116 is closed at time +8 and remains so until time +9.
The device according to FIG. 1 can include a separating circuit for interrupting the transmission of the material erosion energy to the workpiece 16 in the event of a gap short circuit or the like. The isolating circuit preferably responds to each pulse in order to ensure the most effective gap short-circuit protection.
According to FIG. 3, the single-pulse gap short-circuit protection for the new device can be achieved by adding an AND gate circuit 210 and a reference voltage circuit 218. As before, a high-voltage source 20 is connected to the tool electrode 18 and the workpiece 16 via a plurality of conductors 170 and 172 and a switch 174. The high power power source 22 is similarly connected to the load gap 17 via second conductors 176 and 178 and a second switch 180. The voltage across the gap 17 is determined by a detector device 187 which is connected to it via two conductors 188 and 190. The detector device is similar to the detector device according to FIG. 1d. H.
device 186 generates an output on conductor 192 indicative of a deionization condition in gap 16 and a second pulse is generated on conductor 194 indicative of an ionization condition of gap 17. The output pulse on conductor 192 is transmitted to flip-flop 198 and the flip-flop is placed in a first state; A pulse is generated on conductor 200 to close switch 174 in response to the pulse on conductor 192.
When the switch 174 is closed, the high voltage source 20 transmits a voltage to the gap 17 in order to begin the ionization process.
When the ionization reaches a predetermined value, the pulse on conductor 194 is transmitted to a monostable multivibrator 204, which generates a timed output pulse on conductor 206. The output pulse on conductor 206 is transmitted to AND gate circuit 210, which controls switch 180 via conductor 212. The output pulse from the vibrator 204 is also transmitted to the flip-flop 198 via a conductor 214, which causes the flip-flop to be reset to its second stable state and the switch 174 opens. The switch 174 remains open until a pulse is generated in the detector device 186 which indicates a deionization state in the gap 17.
When all other inputs to the AND gate are on, switch 180 is closed and high power current source 22 is connected to gap 17 via lines 176 and 178.
The reference voltage circuit 218 is connected to determine the gap voltage 17 and, when the gap voltage drops below a predetermined low value, causes an off pulse to be transmitted to the AND gate circuit 210 via conductor 220. The off pulse produced by the Reference voltage circuit 218 is provided, prevents the operation of AND gate circuit 210 and thereby opens switch 180. After the short-circuit condition at gap 17 has been eliminated and after the voltage has risen above the predetermined value, reference voltage circuit 218 generates an on pulse on conductor 220 and thereby opens the AND gate circuit 210.
It can be seen from the above that the present invention enables a new and improved energy supply for bringing a pulse train to a gap formed between an electrode and a workpiece in order to machine the workpiece. Independent sources for the gap ionization potential and the material erosion energy are used to ensure the most efficient energy transfer from the sources to the gap. In addition, it can be seen that the independent sources are optionally applied to the gap in strict dependence on the ionization state of the gap, whereby the pulse repetition frequency of the supplied pulses is automatically optimized.
Finally, it can be seen that the power supply can have an isolating circuit connected to it in order to create gap short-circuit protection and that the isolating circuit can be effective for each individual pulse.